李 響* 趙升起

（1.上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院 2.上海理工大學材料與化學學院）

0 引言

近年來，液化石油氣鋼瓶泄漏引發(fā)的爆炸事故屢見不鮮，引起社會廣泛關注。液化石油氣是由天然氣或石油經(jīng)過加壓降溫液化獲得的一種無色揮發(fā)性液體。當液化氣泄漏后與空氣混合形成爆炸性氣體，遇到點火源后會引起液化氣爆燃。圖1 為常用液化石油氣瓶（型號：YSP4.7），液化氣瓶一般由底座、上下封頭、瓶閥等組成[1]。

圖1 液化石油氣鋼瓶結構

夏季是液化石油氣瓶較容易發(fā)生爆炸的季節(jié)，液化氣瓶進行氣密性試驗時承受的壓力為2.1 MPa，而一般情況下液化氣瓶在的工作壓力為0.5～1.2 MPa，如果液化氣瓶內(nèi)部的氣體裝得太滿，當溫度升高后，內(nèi)部壓力會快速增大，無法承受該壓力的液化氣瓶就會發(fā)生爆炸。文獻表明[2]，20 ℃時，液化氣瓶內(nèi)部壓力只有0.8 MPa，處在正常的壓力范圍內(nèi)，當溫度升高到40 ℃時，液化氣瓶內(nèi)部壓力增大到1.6 MPa。此外，液化氣瓶本身老化或破損，則無法繼續(xù)承受內(nèi)部正常壓力，當液化氣瓶超期使用時，所能承受的壓力變低，液化氣瓶在搬運過程中破損，也會導致其承受能力變?nèi)?。因此，本文通過有限元方法對受到交變載荷下的液化石油氣鋼瓶進行仿真分析，研究氣瓶內(nèi)部壓力變化對液化石油氣瓶失效情況的影響。

1 液化石油氣鋼瓶受力分析

液化石油氣鋼瓶屬于薄壁壓力容器（即內(nèi)外徑之比≤1.2），氣瓶瓶體一般由鋼板卷焊而成，鋼板的軋制方向與瓶體環(huán)向一致，受到拉應力和壓應力的作用，圖2 為內(nèi)壓作用下的液化石油氣鋼瓶受力分析，鋼瓶受到均勻內(nèi)壓p，鋼瓶任意一點均受到軸向應力σφ和切向應力σθ作用，由于氣瓶壁厚較小，無法承受彎矩，因此薄壁壓力容器的徑向應力為0。在內(nèi)壓p的作用下，液化氣鋼瓶的直徑將變大，鋼瓶筒體的σθ是σφ的2 倍，當液化石油氣鋼瓶發(fā)生失效時，往往會沿著軸線開裂，因此實際制造時鋼瓶的縱焊縫質(zhì)量遠高于環(huán)焊縫。

圖2 內(nèi)壓作用下的液化石油氣鋼瓶受力分析

2 液化石油氣鋼瓶有限元分析

2.1 液化石油氣鋼瓶結構

本文研究的液化石油氣鋼瓶結構尺寸如圖3 a）所示，該液化氣鋼瓶上封頭為橢圓形封頭，下封頭為碟形封頭，其中蝶形封頭由球殼和過渡環(huán)殼組成，氣瓶的封頭由整塊鋼板制成。瓶體與封頭的內(nèi)徑都是200 mm，鋼瓶總長度為500 mm，壁厚為10 mm，為了提高仿真軟件迭代收斂速度，根據(jù)液化石油氣鋼瓶的結構尺寸，建立如圖3 b）所示的液化石油氣鋼瓶軸對稱有限元模型，氣瓶為可變形軸對稱模型，可以選取液化氣瓶的1/2 進行分析，幾何圖元選擇為殼體。

圖3 液化石油氣鋼瓶結構尺寸及有限元模型（單位：mm）

2.2 材料參數(shù)

液化石油氣鋼瓶主體材料一般采用電爐、平爐或者氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉的鎮(zhèn)靜鋼，需具有良好的焊接和沖壓性能。液化石油氣鋼瓶的屈強比不得大于0.8，定義材料參數(shù)前，需要先選定截面，定義液化氣鋼瓶材料為彈性材料，楊氏模量為200 000，泊松比為0.3，定義鋼瓶材料為各向同性材料，截面屬性設定為均質(zhì)殼體，采用理想彈塑性本構關系。

2.3 邊界條件和載荷設置

邊界條件應與實際情況相符，液化石油氣鋼瓶在出廠前需要進行氣壓試驗，需要以每秒不超過0.5 MPa 的速率緩慢升壓到3.2 MPa，并保持1 min，且氣瓶不得出現(xiàn)宏觀變形和滲漏。建立有限元模型設置邊界條件和載荷前，需要創(chuàng)建分析步，分析時長取660 s，設置最大迭代增量步數(shù)（即分析步數(shù)上限）為1 000。定義位移邊界條件時，防止模型在任意方向上移動，在坐標軸y方向設置位移約束固定法向，固定液化氣鋼瓶的下封頭，對下封頭底部施加端面載荷。

液化氣鋼瓶充氣后內(nèi)部壓強提高，所以對液化石油氣鋼瓶內(nèi)部施加均勻分布壓力載荷，為了模擬液化氣鋼瓶充裝液化石油氣的內(nèi)部壓強變化，對液化氣鋼瓶設置變壓力載荷，所設計的鋼瓶內(nèi)部壓強隨邊界變化曲線如圖4 所示，由圖4 可知，液化氣鋼瓶先線性增壓1 min，當鋼瓶內(nèi)部壓力達到1.6 MPa 后，再保壓4 min，然后1 min 內(nèi)將氣瓶減壓至0.75 MPa，保壓4 min，最后氣瓶降壓至常壓。液化石油氣鋼瓶的邊界條件和施加的內(nèi)部載荷分布如圖5所示。

圖4 液化氣鋼瓶內(nèi)部壓力-時間曲線

圖5 液化石油氣鋼瓶邊界條件和載荷圖

2.4 網(wǎng)格劃分及求解

有限元模型的網(wǎng)格劃分情況決定了分析的精度，首先對模型進行分割，種子是區(qū)域邊界的標記，在模型的圓角處共布置了6 個種子以控制網(wǎng)格的稀疏，并設置近似全局尺寸為2，因為草圖為二維模型且形狀簡單，所以利用結構網(wǎng)格劃分技術，選用四邊形平面網(wǎng)格單元對有限元模型網(wǎng)格進行劃分，共劃分了1 585個網(wǎng)格單元，圖6 為液化石油氣鋼瓶網(wǎng)格劃分情況。

圖6 液化石油氣鋼瓶網(wǎng)格劃分示意圖

3 后處理分析

3.1 等效應力分布

液化石油氣瓶的失效模式包括腐蝕失效、塑性斷裂失效、屈服失效等，當氣瓶受到的最大應力如果達到屈服點就會失效，因此，鋼瓶的最大應力應小于材料的許用應力。液化石油氣鋼瓶內(nèi)壁受到圖4 所示的內(nèi)壓變化載荷作用時，鋼瓶材料單元的y方向上的等效應力分布情況如圖7 所示。從圖7 可以看出，液化石油氣鋼瓶上下封頭處的應力較小，氣瓶瓶體的應力分布較大，尤其是靠近上下封頭處連接處的瓶體的等效應力值大于瓶體中部的等效應力值，如圖7 a）所示，鋼瓶瓶體中部等效應力值為3.91 MPa，瓶體靠近上部橢圓形封頭的等效應力值為6.19 MPa。當內(nèi)壓加載時間為0～60 s 時，計算步數(shù)從step1 至step11，鋼瓶受到的等效應力逐漸增大，加載時間為60～300 s，計算步數(shù)從step11 至step40，鋼瓶受到的等效應力保持不變，此時氣瓶的屈服強度較高，最大應力值達到了21.48 MPa，從計算步數(shù)step41 開始，等效應力逐漸降低。

圖7 液化石油氣鋼瓶等效應力分布云圖（單位：MPa）

從圖7 可以看出，整個過程中氣瓶的底端和頂端的都屈服強度比較低，說明上下封頭能夠承載高內(nèi)壓，頂端和底端與瓶體圓弧過渡段的等效應力高于其他位置的等效應力，說明氣瓶下部蝶形封頭與罐體的圓弧過渡段在受到較高壓力時，應力較為集中，瓶體容易發(fā)生開裂失效進入屈服階段[3-4]，而上部橢圓形封頭受到內(nèi)壓作用仍處于彈性范圍，實際生產(chǎn)時為降低加工難度往往采用橢圓形封頭和蝶形封頭。

3.2 等效應變分布

液化石油氣鋼瓶為圓柱筒形薄壁殼體，可以認為壓力在筒壁上均勻分布[5]。圖8 為液化石油氣鋼瓶等效應變分布情況，可以看到液化石油氣鋼瓶大部分為彈性狀態(tài)，最大等效應變區(qū)域均位于氣瓶底部蝶形封頭的環(huán)殼與球殼過渡處，計算步數(shù)從step1 至step11，鋼瓶的最大等效應變值為12.82，蝶形封頭環(huán)殼兩邊的應變值遠低于氣瓶瓶體的應變值，計算步數(shù)從step11 至step40，液化石油氣鋼瓶的最大應變?yōu)?5.64 MPa，如圖8 所示，說明該處受到持續(xù)的壓力作用，蝶形封頭的環(huán)殼處發(fā)生較大的變形。

圖8 液化石油氣鋼瓶等效塑性應變分布云圖

圖9 為液化石油氣鋼瓶截面最大應變分布云圖，從圖9 可知，液化石油氣鋼瓶發(fā)生應變的具體位置為鋼瓶底部蝶形封頭圓弧過渡內(nèi)圓角和外圓角。進一步分析后可知，蝶形封頭受到內(nèi)壓作用趨于球形，封頭球殼部分受到均勻分布的徑向應力，封頭圓弧過渡段向內(nèi)壓縮，蝶形封頭球殼和過渡環(huán)殼連接處的等效應力最大，沿著徑向至封頭底部逐漸減小[6]，因此，蝶形封頭的球殼和過渡環(huán)殼的過渡區(qū)域存在較高的周向壓縮應力，根據(jù)彈性失穩(wěn)理論，蝶形封頭存在彈性范圍內(nèi)失效破壞的可能性。

圖9 液化石油氣鋼瓶截面最大應變分布

4 結論

本文以液化石油氣鋼瓶為研究對象，利用有限元方法分析了液化石油氣瓶受變化內(nèi)壓作用變形過程，分析受到較高內(nèi)壓作用的液化石油氣瓶失效情況，得出以下結論：

（1）液化石油氣鋼瓶靠近上下封頭連接處的的瓶體的等效應力較為集中；

（2）液化石油氣鋼瓶內(nèi)壓異常升高時鋼瓶底部蝶形封頭環(huán)殼與球殼圓角處應變急劇增加，存在彈性失穩(wěn)的可能性；

（3）液化石油氣鋼瓶應合理使用，避免內(nèi)壓非正常升高導致鋼瓶失效。