液化石油气钢瓶过量充装时的爆破特性_黄小宇.pdf
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1、 化学工程与装备 2023 年 第 1 期 244 Chemical Engineering&Equipment 2023 年 1 月 液化石油气钢瓶过量充装时的爆破特性液化石油气钢瓶过量充装时的爆破特性 黄小宇1,2,王 恒1,2,马中强1(1天津市特种设备监督检验技术研究院;2国家市场监管重点实验室(特种设备数字孪生共性技术),天津 300192)摘摘 要:要:液化石油气钢瓶过量充装是非常危险的,随着温度的升高,瓶内的压力会迅速升高导致钢瓶发生爆破。本文在假设充装介质为丙烷的情况下,采用有限元和积分的方法,得到了充装压力增加时的体积数据,以及热膨胀引起的容积增量和压力引起的容积减少量。最后
2、,根据爆炸前气瓶的体积平衡,通过迭代算法得到了不同压缩系数下的爆炸温度。关键词:关键词:液化石油气钢瓶;过量充装;爆破 引引 言言 液化石油气钢瓶是一种在用数量庞大的民用特种设备,每年国内都会发生多起液化石油气瓶的燃爆事故,对人民生命和财产造成了重大损失。事故发生的原因主要有:“腐蚀、损伤等导致的整体强度不足,阀门及管道失效导致的燃气泄漏,以及过量充装、使用不当等等”1。液化石油气是以丙烷为主的低压液化气体2,过量充装的液化石油气钢瓶内部压力会随着环境温度的上升而急剧升高,达到钢瓶压力极限时就会发生物理爆炸,进而引发更为严重的事故。为了避免过量充装产生的危险,相关法规标准对于液化石油气钢瓶充装
3、时的充装系数进行了严格限定。本文假设瓶内介质为纯丙烷,且完全充满钢瓶作为极限条件,采用有限元模拟结合数值计算的方法得到了某型号液化石油气钢瓶过量充装时瓶内压力与温度的对应关系。1 1 钢瓶容积与压力的关系钢瓶容积与压力的关系 首先采用有限元分析方法对钢瓶的升压过程进行数值模拟,以得到满液状态下钢瓶容积与压力的对应关系。计算模型采用某液化石油气瓶实际数据,具体模型参数如表 1所示。表表 1 1 有限元模型参数有限元模型参数 钢瓶规格,*T*L 容积,V 材料 屈服强度,s 抗拉强度,b 弹性模量,E 泊松比,v 400 x3.2x1023mm 119.37L HP325 390MPa 460MP
4、a 2105MPa 0.3 建立八节点等参单元(PLANE183)的轴对称模型,然后逐步施加载荷。此外,考虑几何非线性,节点坐标根据变形不断更新。如图 1 所示,当压力增加到 7.965MPa 时,结构开始迅速变形,网格发生扭曲。在运行 1233 步后,计算终止。最大膨胀变形和最大应力分别为 10.9mm(径向)和477MPa。此时,气瓶虽未爆炸,但已失去承载能力,接近爆炸。瓶内压力为 7.965MPa,钢瓶膨胀量为 8.469L。用积分计算得到的瓶内压力与钢瓶容积的关系曲线如图 2 所示。图图 1 1 加载到加载到 7.97.96565MPaMPa 时的变形及时的变形及 MISESMISES
5、 相当应力分布相当应力分布 图图 2 2 瓶内压力与钢瓶容积的关系曲线瓶内压力与钢瓶容积的关系曲线 DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.01.041 黄小宇:液化石油气钢瓶过量充装时的爆破特性 245 2 2 热膨胀系数热膨胀系数的的计算计算 液体温度改变时有胀缩现象,其变化能力以膨胀率表示,即热膨胀系数。丙烷的热膨胀系数计算式为3:mclipTTaB)/1(-=(1)式中:lipB 液体热膨胀系数,1/K;,m 化合物的回归系数,对丙烷,=9.95E-04,m=-0.7130;T 温度,K;cT临界温度,K 用公式(1)计算丙烷在不同温度下的膨胀系数,结果列于表 2。3
6、 3 热膨胀体积增量的计算热膨胀体积增量的计算 由热膨胀系数的定义可以得到以下关系式:lipBTVVV=-001 (2)因此,体积增量公式可推导如下:TVBVVVlip=-=001 (3)式中:V 体积变化量,L;0V 原始体积,L,取为气瓶原始体积(119.3721L);1V 膨胀后体积,L;T 温度增量,根据公式(3),可计算得到温度升高时气瓶膨胀后体积以及体积增量,结果列于表 2。表表 2 2 热膨胀系数及体积增量热膨胀系数及体积增量 摄氏温度,热膨胀系数,1/膨胀后体积,L 体积增量,L 25 0.003201085 119.3721 0 30 0.003370093 121.3553
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