摘要：建立了液化石油氣容器在充滿狀態(tài)下，升溫導(dǎo)致其膨脹破裂的動(dòng)態(tài)解析模型。模型考慮容器殼體材料的彈性、塑性變形，適用于容器外殼在塑性變形范圍內(nèi)發(fā)生破裂的問題。結(jié)合算例，對可導(dǎo)致液化石油氣容器外殼破裂的溫升進(jìn)行了求解。
關(guān)鍵詞：液化石油氣；容器；灌裝；危險(xiǎn)性分析
Risk Analysis for Overfilling LPG Vessel
YAN Ming-qing1，? CAO Lin2，? YAN Chang-qing3
(1.North China Municipal Engineering Design & Research Institute，Tianjin 300074，China；2.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China；3.Henan Communication Planning Survey and Design Institute，Zhengzhou 450052，China)
Abstract：A dynamic analytic model of expanding crack of fully filled vessel due to LPG temperature rise is established. The elastic-plastic deformation of the vessel shell is taken into account in the model to suit for the crack problem of the vessel shell in the plastic deformation range. The solution of temperature rise causing the crack of LPG vessel shell is conducted with a calculation example.
Key words：LPG；vessel；filling；risk analysis
??? 液化石油氣(LPG)容器(大容積的儲罐或小容積的鋼瓶)都不應(yīng)完全灌裝滿，一般容積灌裝率≤0.85。容積灌裝率與灌裝時(shí)的溫度、LPG的組成和灌裝后可能的溫升等有關(guān)，如能按規(guī)定的容積灌裝率灌裝可保證容器在環(huán)境溫度變化時(shí)的安全。一旦過量灌裝，易發(fā)生容積灌裝率達(dá)到100%的狀況。液態(tài)LPG的體脹系數(shù)很大(在10～20℃為水的17倍)。完全充滿LPG的容器，在環(huán)境溫度升高的情況下，膨脹的液態(tài)LPG會引起容器殼體發(fā)生很大的應(yīng)變，導(dǎo)致應(yīng)力急劇增大。當(dāng)應(yīng)力超過容器材料的強(qiáng)度極限時(shí)，即引起容器破裂[1、2]。本文建立LPG容器在充滿狀態(tài)下，升溫導(dǎo)致膨脹破裂的動(dòng)態(tài)解析模型，其中建立容器殼體材料的彈塑性線性模型，將容器殼體材料塑性階段由屈服極限點(diǎn)到強(qiáng)度極限點(diǎn)的應(yīng)力曲線簡化成斜率為常數(shù)的直線，用于討論容器殼體材料實(shí)際發(fā)生在塑性范圍的破裂問題。
1 動(dòng)態(tài)解析模型的建立
1.1 容器材料在彈性變形階段的應(yīng)力及應(yīng)變
??? 設(shè)LPG容器的容積為y(單位為m3)，裝滿液態(tài)LPG(以下LPG均指液態(tài)LPG)后，在溫升為山(單位為℃)時(shí)，LPG的體積增量為：
??? dVLPG,t=αVdt??? (1)
式中dVLPG,t——因升溫LPG體積的增加量，m3
??? α——LPG體脹系數(shù)，K-1
??? 由于LPG具有壓縮性，因此有：
??? dVLPG,p=-κVdp?? (2)
式中dVLPG,p——因壓力增加LPG體積的減少量，m3
??? κ——LPG的壓縮率，Pa-1
??? dp——容器中LPG內(nèi)壓力增加量，Pa
在彈性變形階段內(nèi)，容器殼體鋼材的應(yīng)力及應(yīng)變?yōu)椋?/font>
式中σ——在LPG內(nèi)壓下容器殼體應(yīng)力，Pa
?? ??n——系數(shù)，圓筒形容器取2，球形容器取1
??? ?E——容器殼體材料彈性模量，Pa
?? ?υ——泊松數(shù)
?? ?ε——在LPG內(nèi)壓力下容器殼體應(yīng)變
?? △R——容器半徑增量，m
??? ?R——圓筒或球形容器半徑，m
由式(3)可得：
將式(5)代人式(6)可得：
??? 環(huán)境引起容器中LPG升溫時(shí)，LPG體積發(fā)生變化，引起容器容積發(fā)生變化的計(jì)算式為：
??? dV=dVLPG,t-dVLPG,p??? (9)
將式(1)、(2)代人式(9)得：
??? 對于圓筒形容器(理想化為圓柱形，高為h，單位為m)：
? ??對于球形容器：
