熱沖擊下LPG儲罐力學(xué)響應(yīng)研究

江偉+單彥廣

摘 要： 液化石油氣（LPG）儲罐在遭受火焰侵襲時通常會面臨較為惡劣的環(huán)境.在高溫和內(nèi)壓作用下，金屬材料強(qiáng)度下降，罐體將會出現(xiàn)局部屈服變形，嚴(yán)重時可能會發(fā)生破裂甚至爆炸.對儲罐在噴射火焰下其壁面的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究，在分析壁面應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理的同時，利用有限元分析ANSYS軟件對該物理過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了壁面不同位置的應(yīng)力分布.結(jié)果表明：在噴射火焰情形下，LPG儲罐的力學(xué)響應(yīng)與火焰的噴射方向有關(guān)，面向火焰一側(cè)的壁面由于溫度上升更快，材料強(qiáng)度下降的速度也較快，故較之背向火焰一側(cè)的壁面發(fā)生破壞的可能性增大；另外，儲罐壁面頂部附近由于溫度最高，材料的強(qiáng)度下降最明顯，因此發(fā)生破壞的可能性最大.

關(guān)鍵詞： LPG儲罐； 火焰侵襲； 材料強(qiáng)度； 力學(xué)響應(yīng)； 數(shù)值模擬； 噴射方向； 破壞

中圖分類號： TE 88 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： The liquefied petroleum gas（LPG） tank would encounter the wicked environment when suffering from the fire attack.When the temperature and the inner pressure got higher，the metal strength would decrease.Therefore，it resulted in partial yield deformation on the tank，even fracture and explosion under a more serious situation.The rule of mechanical response of the tank wall in jet fire was studied.The numerical simulation on the physical process was carried out with the mechanism of stress by ANSYS to analyze the stress distribution of different parts on the wall.It could be concluded that in jet fire，the mechanical response of LPG tank depended on the direction of fire.Due to the fast increasing of the tank wall temperature on the side of fire，the strength reduced faster.There existed the greater probability of destruction.Moreover，due to the highest temperature at the top of tank，there was the most significant reduction of strength，which would lead to the highest probability of destruction.

Keywords： LPG tank； fire attack； material strength； mechanical response； numerical simulation； injection direction； destruction

液化石油氣（LPG）作為一種高熱值的燃料和性能優(yōu)異的工業(yè)原料，其本身卻具有易燃易爆的特點，因此在生產(chǎn)、運輸以及使用中稍有不慎，便極易發(fā)生火災(zāi)和爆炸事故[1].由于LPG具有很大的危險性，作為直接存儲LPG的壓力容器，LPG儲罐面臨著較為復(fù)雜的工況，對于其在實際使用中可能出現(xiàn)的安全性問題，應(yīng)引起足夠重視.

關(guān)于LPG儲罐在火焰侵襲時的內(nèi)部熱響應(yīng)分析，之前的研究者們已經(jīng)取得了較為豐富的成果，例如：單彥廣等[2-3]研究了火災(zāi)時LPG儲罐內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程；邢志祥等[4]對儲罐在火災(zāi)中的熱響應(yīng)進(jìn)行了模擬.而對于LPG儲罐在失效過程中罐體本身的變形及破壞行為則涉及較少.本文在前人研究基礎(chǔ)上[5]，利用有限元分析ANSYS軟件的熱結(jié)構(gòu)耦合功能計算在噴射火焰下LPG儲罐的力學(xué)響應(yīng)，藉此分析罐體的變形趨勢并預(yù)測相應(yīng)的破壞行為.

1 熱結(jié)構(gòu)分析模型

1.1 物理問題描述

考慮一個水平圓柱體LPG儲罐，底部兩端固定于地面，內(nèi)部充裝一定容量的液態(tài)丙烷.儲罐置于環(huán)境溫度下，其截面示意圖如圖1所示.在某一時刻儲罐一側(cè)突然遭受噴射火焰的加熱，導(dǎo)致壁面溫度迅速上升.經(jīng)過一系列傳熱過程引起儲罐內(nèi)部介質(zhì)的熱響應(yīng)，同時內(nèi)壓快速增大.

在計算儲罐壁面溫度和內(nèi)壓時假設(shè)：① 對水平圓柱體容器采用二維模型，即認(rèn)為圓柱的長度遠(yuǎn)大于直徑，只討論一個垂直于軸向的截面的行為；② 容器內(nèi)壓均勻，它只是時間的函數(shù).在此基礎(chǔ)上將其拓展為三維模型，假設(shè)噴射火焰在儲罐右側(cè)軸向上均勻加熱.因此，與軸向垂直的任意一個截面上的溫度分布理論上應(yīng)相同.

現(xiàn)將罐體抽離，即忽略其內(nèi)部介質(zhì)的狀態(tài)，只考慮內(nèi)外壁面與外部環(huán)境以及內(nèi)部介質(zhì)的換熱過程，求得截面上的溫度場分布后，再加上隨時間變化的均勻內(nèi)壓，可得罐體的應(yīng)力分布.壁面邊界條件及內(nèi)壓示意圖如圖2所示，圖中：P為儲罐內(nèi)壓；T1、T2分別為內(nèi)、外壁面溫度；h1、h2分別為內(nèi)、外壁面與外界的傳熱系數(shù).

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 儲罐壁導(dǎo)熱模型

假設(shè)筒體在軸向上足夠長，且溫度僅在徑向變化而與軸向無關(guān)，即在垂直于軸向的任意截面上溫度分布均相同，故導(dǎo)熱微分方程可簡化為二維情形，即endprint

h1、h2主要通過分析儲罐內(nèi)介質(zhì)的熱響應(yīng)過程以及壁面與外部環(huán)境之間的對流與輻射換熱過程獲得.

1.2.2 熱應(yīng)力計算模型

熱應(yīng)力計算屬于熱彈性力學(xué)范疇.在熱彈性力學(xué)中，應(yīng)力、應(yīng)變不僅由外力引起，而且也由溫度變化引起.外力產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變運用彈性力學(xué)原理計算，而溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變則運用熱彈性力學(xué)的原理計算，然后將兩者進(jìn)行疊加[6-7].

熱彈性力學(xué)空間平衡微分方程為

2 計算結(jié)果及分析

2.1 計算所用初始條件

本文的分析基于文獻(xiàn)[8]對水平圓柱體LPG儲罐充裝率為85%時噴射火焰下的計算結(jié)果，并對應(yīng)于文獻(xiàn)[9]中所做相應(yīng)的試驗.

現(xiàn)有水平圓柱體LPG儲罐材料為16MnR（相應(yīng)新標(biāo)準(zhǔn)為Q345R），配有泄壓閥門，內(nèi)裝有充裝率為85%的液態(tài)丙烷.罐體長3 276 mm，外徑1 200 mm，壁厚7.1 mm，底部兩端固定于地面.儲罐外形如圖3所示.選取部位示意圖如圖4所示，分別在儲罐左右兩側(cè)外壁上選取四個分析點，自頂點起依次為5°、45°、85°和135°處.內(nèi)部環(huán)境初始溫度設(shè)為20 ℃，t=0時其一側(cè)壁面開始遭受噴射火焰加熱.

對于在噴射火焰下充裝率為85%的水平圓柱體LPG儲罐，文獻(xiàn)[8]中計算所得的內(nèi)壓及壁面選取分析部位溫度分布分別如圖5、6所示.

2.2 ANSYS軟件分析設(shè)置及材料參數(shù)

利用ANSYS軟件中熱結(jié)構(gòu)耦合分析模塊，順序計算罐體溫度場及應(yīng)力場.實體模型及網(wǎng)格劃分如圖7所示.由于儲罐兩端幾何條件和物理環(huán)境均對稱，因此只需取其一半研究即可.

罐體材料為16MnR，它是我國制造壓力容器的常用材料，為普通低合金鋼.它強(qiáng)度較高，塑性韌性良好，具有良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能，其在短時高溫下的力學(xué)性能是研究LPG儲罐對火災(zāi)力學(xué)響應(yīng)的重要數(shù)據(jù)[10].

16MnR的密度ρ=7 850 kg·m-3，熱膨脹系數(shù)α=1.4×10-5，泊松比μ=0.3.剩余參數(shù)可參照圖8[11-12]，圖中：Cp為定壓比熱容；σs為屈服強(qiáng)度；E為彈性模量.

2.3 計算結(jié)果及分析

選取儲罐左右兩側(cè)外壁不同部位的計算結(jié)果進(jìn)行分析，位置分布如圖9所示.對于碳鋼，通常選用第四強(qiáng)度理論校核其強(qiáng)度，因此，考察這些部位的等效應(yīng)力，并將等效應(yīng)力與材料的屈服強(qiáng)度作比較，以判斷罐體的力學(xué)響應(yīng).

圖10為儲罐外壁面右側(cè)四個部位的應(yīng)力分布，實線代表各時刻對應(yīng)溫度下的屈服強(qiáng)度；虛線代表同一部位在軸向不同位置處的等效應(yīng)力σ.

圖10（a）中屈服強(qiáng)度和等效應(yīng)力在150 s左右發(fā)生交集，此時外壁面溫度達(dá)到約700 ℃，材

料屈服強(qiáng)度降低到常溫下的20%左右，等效應(yīng)力開始超過屈服強(qiáng)度，壁面開始發(fā)生塑性變形；圖10（b）中屈服強(qiáng)度和等效應(yīng)力在250 s左右發(fā)生交集，此時外壁面溫度達(dá)到約550 ℃，材料屈服強(qiáng)度降低到常溫下的40%左右；而在圖10（c）、（d）中屈服強(qiáng)度和等效應(yīng)力均未發(fā)生交集，這是由于這兩個部位的溫度上升較為緩慢，材料屈服強(qiáng)度下降不明顯.

圖11為儲罐外壁面左側(cè)四個部位的應(yīng)力分布.圖11（a）中屈服強(qiáng)度和等效應(yīng)力在200 s左右發(fā)生交集，此時外壁面溫度達(dá)到約600 ℃，材料屈服強(qiáng)度降低到常溫下的35%左右，等效應(yīng)力開始超過屈服強(qiáng)度；而在圖11（b）、（c）和（d）中，屈服強(qiáng)度和等效應(yīng)力均未發(fā)生交集，其原因是噴射火焰在儲罐右側(cè)加熱，導(dǎo)致右側(cè)壁面溫度高于左側(cè)溫度，故左側(cè)除頂部附近，其余部位由于溫升不高，材料屈服強(qiáng)度下降不顯著.

綜上所述，儲罐右側(cè)外壁面5°處為最脆弱的部位.在火焰開始加熱的150 s左右，壁面等效應(yīng)力開始超過材料屈服強(qiáng)度，進(jìn)入塑性變形階段；其次右側(cè)45°處和左側(cè)5°處均在200 s左右開始發(fā)生塑性變形.至于材料從開始塑性變形到產(chǎn)生裂紋的時間，由于涉及到斷裂力學(xué)，暫時無法準(zhǔn)確估計，有待后續(xù)研究.

在此，可預(yù)計在開始加熱后的3～4 min左右，儲罐頂部偏右側(cè)將開始發(fā)生破裂，這與文獻(xiàn)[9]在1995年10月所做現(xiàn)場試驗的結(jié)果相近（在開始被噴射火焰加熱的250 s左右，儲罐發(fā)生爆炸），由于制造儲罐所用材料不同，結(jié)果存在一定差異.另外，畢明樹等[13]對噴射火焰下儲罐熱響應(yīng)行為進(jìn)行了研究，得出在85%充裝率時儲罐的失效時間約為175 s.

3 結(jié) 論

本文建立了高溫下LPG儲罐的導(dǎo)熱模型和應(yīng)力計算模型，計算了在噴射火焰下85%充裝率的水平圓柱體LPG儲罐各部位的應(yīng)力分布，并與該處罐體材料的屈服應(yīng)力做對比，以此預(yù)測儲罐的失效部位以及失效時間.結(jié)果表明，本文計算分析所預(yù)測的失效時間與現(xiàn)有文獻(xiàn)中記載的實驗及數(shù)值模擬數(shù)據(jù)有較好的吻合度，因此可為LPG儲罐在儲運過程中的熱防護(hù)提供參考.

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