2021 年第3 期 特 种 设 备 安 全 技 术 · 13·液化石油气钢瓶爆破试验数值模拟 余江涌
摘 要对YSP35.5 型的液化石油气钢瓶进行爆破试验， 并基于ABAQUS有限元软件对破坏过程进行了数值模拟。
采用线弹性材料力学模型， 利用四面体单元对液化石油气钢瓶模型进行离散化。通过有限元分析得到了随着内压的变化
气瓶各部位应力的变化情况。 数值模拟结果显示， 气瓶达到极限抗拉强度时所加载的内压与爆破试验中的爆破压力相同， 破口方向也与实际相符。过氧化氢溶液
关键词液化石油气 有限元 应力分析
0 引 言
液化石油气钢瓶即是酒店、家庭等处所使用的煤气 罐， 目前我国液化石油气钢瓶的使用情况由较多不规
范的 问题存在 [1-3]。 首先， 很多家庭使用的煤气罐都超期并且未 接受进一步的安全性检验； 其次， 有很多超过使用年限的 报废钢瓶仍然在被使用； 还有一部分是根本达不到安全技 术规范的钢瓶通过非法途径流入市场。 总之， 我们居民在 液化石油气钢瓶的使用中缺乏安全意识， 这一点导致了很 多安全事故的发生。2016 年10月27日，四川省阿坝州 一处液化气换气点发生钢瓶爆炸事故， 致使楼房倒塌、 多 人受伤， 经济损失60万元。 2016年10月31日， 安徽省 六安市， 一处液化气换气点发生钢瓶爆炸事故， 直接经济 损失100 余万元。 可见， 液化石油气钢瓶的不规范性使用 对我们居民的生命财产安全造成了很大的损失。
液化石油气钢瓶作为我国居民常用燃气储存容器， 其 力学的稳定性与家家户户的生命财产的安全息息相关， 每 年国内出现的液化石油气在使用过程中发生爆炸的事例 不在少数，这些事故的造成有一些与使用者使用不当有 关， 不过绝大多数与液化石油气钢瓶的材料信息相关， 这 些钢瓶在使用过程中其材料内部的损伤会不断的累积， 进 而引起疲劳失效。 当然， 还有一种原因是由于液化石油气 内部的压力偏高而引起了钢瓶的爆破失效。
笔者对YSP35.5型的液化石油气钢瓶做了爆破试验， 试验结果表明： 在内压加载到10MPa时气瓶发生了破坏， 破口位置在钢瓶瓶体中部， 撕裂起始位置在钢瓶环焊缝部 位， 破口垂直于焊缝， 瓶身外形呈鱼腹状， 破口有剪切唇。 试验前后气瓶形状如图1
所示。
图 1 液化石油气钢瓶爆破试验前后对比
1 有限元数值模拟
1.1数值模型
本文通过有限元技术对该气瓶爆破试验过程进行数 值模拟， 计算其在正常工况及实际爆破压力下的应力分布 情况。
模型瓶体高度为680mm， 瓶体外径为314mm， 壁厚为 2.5 mm， 有限元模型经过合理简化后如图2所示。材料的 密度为7800kg/m 3 ，弹性模量为200GPa， 泊松比为0.3， 极限 抗拉强度为492MPa。 本文分析中， 对钢瓶底部支座的底面 施加固定约束，
以模拟其放置于水平地面的情况。
图 2 液化石油气钢瓶图纸及有限元模型
收稿日期： 202131
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爆破试验破口撕裂起始位置在焊缝处， 为了更准确地 得到焊缝处的应力分布， 将焊缝特征按照实际情况建立有 限元模型， 如图3
所示。
图 3 焊缝处模型
2.2 加载压力
按照爆破试验中对瓶体加载的压力对有限元模型施 加荷载， 瓶内施加压力的大小随时间关系如图4所示。 在 爆破试验中， 当压力达到 10MPa 时， 气瓶发生破坏， 瓶内 压力迅速降低为0
。
图4 瓶体内压力-时间曲线
2 应力分析结果
本文通过对有限元模型进行静力学分析， 得到了正常 工作压力下 （内压2.1MPa ） 和发生爆破时 （内压10MPa ） 液 态石油气钢瓶的第1与第2主应力分布情况， 如图5所示， 左侧为第1主应力分布情况， 右侧为第2主应力分布情况。 可以看出两种压力作用下的应力分布情况大体一致， 不过 在数值方面有明显的差距。由第1主应力分布情况可知， 主应力较大数值位置位于液态石油气钢瓶的筒体部分， 而 第 2 主应力的较大数值位置位于筒体与上下封头的连接 区域。在数值模拟中认为焊缝为理想状态， 其材料属性与 瓶身钢材一致， 且完整无缺陷， 再加上焊接处有特殊结构，
导致了分析结果中焊缝处的应力比其他部位的应力较小。
图 5 应力分布情况
为了详细的了解到爆破过程中应力的变化规律， 在瓶 体取出3个应力监测点， 分析该监测点处第1、 第2主应力 随着时间的变化关系， 图6为所取监测点位置， 图7为应力 监测点的应力随时间变化曲线。从曲线中可以看出， 当钢 瓶处于正常工作状态时 （内压为2.1MPa ） ， 监测点1、 2、 3的 第 1 主 应 力 分 别 为 124.06MPa 、170.78MPa 以 及 102.42MPa ， 都没有超过材料的极限抗拉强度， 气瓶不会发 生破坏， 由此可见， 在正常工作压力下， 该钢瓶的安全性是
满足要求的； 在进水时间为495S ， 即内压达到当内压达到 9.5MPa 时， 监测点2处的最大主应力都会超过材料的极限 抗拉强度， 而在监测点3处最大主应力的值没有超过材料 的抗拉强度。模拟爆破压力与试验爆破压力数值接近， 但 是按照模拟结果， 此时应该在监测2处发生破坏失效， 然而 在实际爆破试验中， 破口处于瓶体中部， 撕裂起始位置在焊 缝部位。 这是由于焊接质量的原因，
导致焊缝处最先破坏。
图6 应力检测位置
监测点 1
的应力分量随时间变化图
监测点 2的应力分量随时间变化图
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监测点3的应力分量随时间变化图 图 7 应力监测点的主应力时程曲线
3 解析解与有限元结果的对比
根据薄膜理论可以计算得到钢瓶体内的环向应力与 轴向应力。可以认为此时的环向应力与轴向应力分别近 似代表有限元计算中的第1主应力与第2主应力， 其计算 公式如下：
环向应力
=
Pd
2t
（1）
轴向应力
瓷棒
r = Pd
4t
（2） 式中， P 为内压、 d 为瓶体直径、 t 为瓶瓶体壁厚。 解析解与有限元分析数值模拟计算结果对比见表1。 由表可知， 二者第1主应力数值接近， 理论计算得出的第 二主应力要高于数值模拟结果， 切应力的值要小于数值模 拟结果。造成这一差距的原因是理论模型与数值模型之 间存在差异。
从结果中可以看到， 气瓶环向应力大于轴向应力， 如 发生破坏， 则破口应为竖直方向， 分析结果与爆破试验结 果一致。
表 1 理论计算与有限元计算结果
计算类型 第 1 主应力/MPa 第 2主应力/MPa 切应力/MPa
理论计算 131.88 65.94 32.97 有限元计算
102.42
9.04
日本现人类头盖骨>http 代理
46.69
4 结 论
通过对液态石油气钢瓶的有限元分析， 我们了解了钢
瓶在水压爆破试验过程中的应力分布情况， 可以得到如下 结论：
（1） 该产品型号的液化石油气钢瓶在正常工况下满足 安全使用要求， 如发生了破坏失效， 较大的原因应该是焊 接质量不高， 在焊缝处出现的缺陷， 导致气瓶强度降低。
（2） 有限元模拟结果与爆破试验结果基本相符， 在内 压为9.5MPa 时，气瓶发生破坏失效。气瓶发生破坏时， 瓶体的环向应力的数值要远高于轴向应力的数值， 所以液 态石油气钢瓶会沿着轴线发生破坏。
参考文献
[1] 周愚峰，我国液化石油气发展现状及趋势[J ]. 油气储运,1996, 15(11):14.
[2] 佚名. 液化石油气安全技术与管理[M ]. 1991.城市信报
[3] 孙萍辉, 蔺恕昌, 金石. 民用液化石油气安全使用要点[J ]. 低 温与特气, 2003, 21(3):3739.
[4] 王泰升. 液化石油气钢瓶的应力与安全分析[J ]. 河北科技大 学学报,1992(2):2932.
[5] 赵新强, 刘斌.液化石油气储罐的极限载荷分析[J ].化工装备 技术, 2017, 38(6):2527.
作者 余江涌
湖南省特种设备检验检测研究院 湖南 长沙 邮编 410117
不得出具安装监检合格报告。
（3） 确保能效测试质量。
各锅炉能效测试机构要严格落实国家关于锅炉节能 环保和能效测试有关要求， 按照相关标准和安全技术规范 开展锅炉能效测试和锅炉大气污染物排放浓度测试工作， 切实保证能效测试工作质量， 确保测试报告真实反映锅炉 能效和环保水平。
（4） 加大监督检查力度。
各基层市场监督管理部门要落实属地管理责任， 加大对 辖区内锅炉相关单位节能环保标准执行情况
的监督检查力 度； 对检查中发现的问题， 要坚持问题查处与落实整改并重
原则， 督促问题单位限期整改到位， 闭环管理。对涉及的违 法行为要严肃查处； 要积极推动锅炉相关企业落实锅炉节能 和环保相关标准要求， 全面提升全省锅炉节能环保水平。
参考文献
[1]国市监特设 〔2018〕 227号.市场监管总局 国家发展改革委 生 态环境部关于加强锅炉节能环保工作的通知. [2]TSG G00022010.锅炉节能技术监督管理规程[S ].
阿托品滴眼液作者 赵淑珍 闫建新
菏泽市产品检验检测研究院 山东 菏泽 邮编 274000
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