范曉東，焦文祥，蔡福海，張耀忠

（1.赤峰市特種設(shè)備檢驗(yàn)所， 內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

（2.大連理工江蘇研究院有限公司， 江蘇 常州 213164）

對于設(shè)計使用年限為8年的液化石油氣瓶，允許在通過安全評估后延長一次使用期，延長使用期不得超過氣瓶的一個檢驗(yàn)周期。對未規(guī)定設(shè)計使用年限的液化石油氣瓶，使用年限達(dá)到15年的應(yīng)當(dāng)予以報廢并且進(jìn)行消除使用功能處理[1-3]。但在北方大部分地區(qū)，多數(shù)氣瓶使用期到了8年后，氣瓶經(jīng)檢測，各項(xiàng)狀況經(jīng)檢查后仍能達(dá)到氣瓶設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，若直接報廢處理，將會造成資源的巨大浪費(fèi)。因此，對氣瓶進(jìn)行疲勞壽命評估，延長合格氣瓶的使用壽命，具有較大的社會價值和經(jīng)濟(jì)價值。

本文基于HyperMesh建立了YSP35.5氣瓶的有限元模型，在ANSYS后處理模塊中針對特定工況進(jìn)行了分析，獲得了氣瓶的受力危險點(diǎn)；通過FESAFE的Verity模塊進(jìn)行了疲勞壽命分析，并對比了氣瓶疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為氣瓶的疲勞評估提供了數(shù)據(jù)參考。

1結(jié)構(gòu)參數(shù)與建模

YSP35.5液化石油氣鋼瓶，其主要設(shè)計參數(shù)見表1。

根據(jù)鋼瓶參數(shù)，利用Hypermesh軟件進(jìn)行建模[4-5]，液化石油氣瓶峰值應(yīng)力附加在一次和二次應(yīng)力之上，在容器結(jié)構(gòu)中分布范圍比二次應(yīng)力還要小，有自限性，對塑性疲勞和棘輪效應(yīng)沒有影響，故液化氣瓶有限元模型采用空間四節(jié)點(diǎn)殼單元建模的方式。與板單元相比，殼單元由于結(jié)合考慮了結(jié)構(gòu)單元中間面上的平面剛度、彎曲剛度及曲率效應(yīng)，因此，其具有更高的計算精度。本液化氣瓶的單元總數(shù)為24377，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為24262。

表1 YSP35.5液化石油氣鋼瓶主要設(shè)計參數(shù)表

瓶身焊接處的疲勞裂紋是引發(fā)液化氣瓶泄漏與爆炸事故的重要原因[6-11]，因此需要對液化氣瓶瓶身中部的焊縫進(jìn)行定義，方便直接提取焊縫處的應(yīng)力。處理后的液化氣瓶的有限元模型如圖2所示。

圖1 液化氣瓶有限元模型及約束條件

圖2 液化氣瓶Von-Mises應(yīng)力云圖

2 應(yīng)力分析與危險點(diǎn)確定2.1材料特性

液化氣瓶的材料為HP295，其材料屬性見表2。

表2 HP295常溫下的力學(xué)參數(shù)

2.2 邊界條件及分析方法的確定

邊界條件：在靜態(tài)力學(xué)分析過程中對液化氣鋼瓶的底部與頂部只施加“固定支撐”邊界約束，垂直瓶體向下的重力，內(nèi)表面施加垂直于液化氣鋼瓶內(nèi)壁表面的壓力[12-14]。

分析方法：將上述邊界條件加載到離散后的有限元模型上，然后對鋼瓶的靜應(yīng)力進(jìn)行求解。在液化氣瓶充滿時，一般受到2.1MPa的工作壓力，液化氣瓶內(nèi)表面均勻受壓。

2.3 靜態(tài)應(yīng)力分析與危險點(diǎn)

將建立焊縫細(xì)節(jié)的液化氣瓶有限元模型導(dǎo)入ANSYS中計算，得到液化氣瓶在壓力作用下的Von-Mises應(yīng)力云圖，如圖2所示。液化氣瓶的最大應(yīng)力為262.71MPa，底座焊縫由底座與氣瓶外部焊接，不是液化石油氣內(nèi)壓的承載結(jié)構(gòu)，此處是建模的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此不作為重點(diǎn)研究區(qū)域。瓶身中間焊縫的最大應(yīng)力為75.34MPa，此處為重點(diǎn)研究區(qū)域。

3 疲勞分析與試驗(yàn)

3.1 理論分析

經(jīng)過ANSYS計算后，提取氣瓶瓶身焊接處的應(yīng)力數(shù)據(jù)，并將焊接處應(yīng)力數(shù)據(jù)導(dǎo)入到FESAFE，定義材料焊縫屬性，進(jìn)行焊縫的疲勞壽命分析。液化氣瓶焊縫處疲勞壽命云圖如圖3所示，焊縫處的最大疲勞壽命為2.5×104次循環(huán)，處于中間焊縫處。按照日常家用氣瓶15天充裝一次的使用頻次，同時以10倍安全系數(shù)計算，幾乎可達(dá)到100年。

圖3 液化氣瓶焊縫疲勞壽命云圖

3.2 疲勞試驗(yàn)

液化石油氣瓶專用疲勞試驗(yàn)機(jī)采用自動控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動充、放水疲勞試驗(yàn)。其原理圖和現(xiàn)場測試如圖4和圖5所示。

圖4 液化石油氣瓶專用疲勞試驗(yàn)機(jī)原理圖

圖5 液化石油氣瓶專用疲勞試驗(yàn)機(jī)現(xiàn)場側(cè)視圖

通過該試驗(yàn)機(jī)對使用期超過8年的200個氣瓶進(jìn)行1.57MPa、2.1MPa、2.35MPa、3.2MPa四級壓力疲勞循環(huán)充放試驗(yàn)，對經(jīng)過10000次循環(huán)試驗(yàn)的氣瓶按文獻(xiàn)[2]進(jìn)行多項(xiàng)綜合檢驗(yàn)，檢測結(jié)果表明氣瓶各項(xiàng)指標(biāo)正常，依舊符合使用要求。

同時，對40個氣瓶分別進(jìn)行四級壓力下的疲勞破壞試驗(yàn)[15]，當(dāng)檢測出漏水時，判斷其為失效狀態(tài)，其數(shù)據(jù)如圖6所示。分別以平均值擬合得到的冪函數(shù)曲線，置信度95%，樣本存活率50%，理論和試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)包括了8年的循環(huán)次數(shù)：

其中：x-壓力值；y1-理論疲勞壽命值；y2-試驗(yàn)疲勞壽命值

經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，疲勞試驗(yàn)中各壓力下壽命較低的樣本均是瓶身已有明顯凹陷或磕碰的氣瓶，由于應(yīng)力集中現(xiàn)象，壽命明顯相對偏低。同時對破壞位置的統(tǒng)計分析顯示，絕大部分瓶子的破壞位置都處于中部焊縫附近，與理論分析相符。

圖6 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

（1）液化氣鋼瓶的失效部位主要發(fā)生在上下半瓶焊接處置，常規(guī)鋼瓶在正常工作情況下此處應(yīng)力可以達(dá)到75.34MPa，低于液化氣瓶材料的屈服極限。

（2）正常使用至8年的液化石油氣鋼瓶仍具有較長的疲勞壽命，但考慮到人為破壞及日常生活中的磕碰情況，極有可能造成鋼瓶變形，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，會導(dǎo)致鋼瓶壽命急劇削減，具有較大的安全隱患，應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)后再進(jìn)行處理。

◆參考文獻(xiàn)

[1] TSGR0006-2014，氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[2] GB8334-2011，液化石油氣鋼瓶定期檢驗(yàn)與評定[S].

[3] 李前，袁驥千. 液化石油氣瓶閥國家標(biāo)準(zhǔn)研究[J].化工機(jī)械，2017，44(5)：477-478+586.

[4] 林國慶，王茂廷. 基于ANSYS軟件對壓力容器開孔接管區(qū)的應(yīng)力與疲勞分析[J].輕工機(jī)械，2011，29(2)：116-119.

[5] 王庭俊，丁傳安. 有限元法在高壓容器應(yīng)力分析中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代機(jī)械，2006，(6)：56-57.

[6] 黎華. 焊接絕熱鋼瓶爆炸原因分析[J].中國特種設(shè)備安全，2016，32(7)：57-61+64.

[7] 仇飛，謝浩平，陸益鋒. 液化石油氣瓶泄漏原因分析[J].廣東化工，2015，42(22)：170-171.

[8] 李慎彥. 關(guān)于規(guī)范液化石油氣瓶安全管理的思考與建議[J].中國特種設(shè)備安全，2016，32(7)：38-40.

[9] 楊貴榮，孫中黨，付國輝，等. 在用液化氣瓶存在的缺陷及其控制措施[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2014，(8)：243.

[10] Debanjana Bhattacharyya,Prabodh Ranjan Padhee,Prabir Kumar Das,Chandan Halder,Snehanshu Pal. Data-Driven Bi-Objective Genetic Algorithms EvoNN Applied to Optimize Dephosphorization Process during Secondary Steel Making Operation for Producing LPG (Liquid Petroleum Gas Cylinder) Grade of Steel[J]. steel research international,2018,89(8).

[11] 魯洪萍. 淺談液化石油氣瓶監(jiān)督管理與檢驗(yàn)檢測[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014，(12)：61.

[12] Vighnesha Nayak,G.S. Rashmi,Parashuram Chitragar,P. Mohanan. Combustion Characteristics and Cyclic Variation of a LPG Fuelled MPFI Four Cylinder Gasoline Engine[J]. Energy Procedia,2016,90.

[13] 張傳勇. YSP35.5型液化石油氣鋼瓶環(huán)焊縫射線探傷相關(guān)問題的探討[J].科技信息，2009，(33)：842+1144.

[14] Ali Dormohammadi,Esmaeil Zarei,Mohammad Bagher Delkhosh,Ali Gholami. Risk analysis by means of a QRA approach on a LPG cylinder filling installation[J].Process Safety Progress,2014,33(1).

[15] 趙少汴. 抗疲勞設(shè)計：方法與數(shù)據(jù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.