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    高压气瓶水压爆破试验壳体破裂的力学分析.pdf

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    高压气瓶水压爆破试验壳体破裂的力学分析.pdf

    第43卷增刊1 2014年8月 石油化工设备 Vo1.43 Supplement 1 PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT Aug.2014 文章编号100074662014增刊1-000104 高压气瓶水压爆破试验壳体破裂的力学分析 王浩亮 ,李 健 ,郑晓荣 ,冯娟红 1.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司,甘肃兰州 730070; 2.甘肃泓文建筑设计院,甘肃兰州 730030 摘要对2个同规格的高压气瓶进行强度理论计算和有限元静力学模拟分析计算,总结高压气瓶在 进行水压爆破时壳体的应力分布规律,进而从力学角度研究高压气瓶的壳体破裂规律,此结果可为 后续的结构设计和试验验证提供一定的理论依据。 关键词高压气瓶;水压爆破;应力分析;破裂 中图分类号TQo5o.2;TE966 文献标志码A doi10.3969/j.issn.10007466.2014.s1.001 Mechanics Analysis of High Pressure Gas Cylinder Shell Fracture by Hydrostatic Pressure Burst Test WANG Hao-liang ,LI Jian ,ZHENG Xiao-rong ,FENG Juanhong2 1.Lanpec Technologies Limited,Lanzhou 730070,China; 2.Gansu Hongwen Architectural Design Institute,Lanzhou 730030,China AbstractThrough the theory analysis of high pressure vessel strength and finite element static analysis.Mastering stress distribution of high pressure gas cylinders under pressure.On this ba sis,discussing a law of high pressure gas cylinder burst from the mechanica1.It also provides a theoretical basis for the structural design and experimental verification. Key wordshigh pressure gas cylinder;hydraulic blasting;stress analysis;break 高压气瓶是指公称工作压力大于等于 8.0 MPa的气瓶。目前,国内常用的大体积钢质无 缝气瓶的公称工作压力有16.6 MPa、20.0 MPa、 25.0 MPa这3种。近年来,随着气体工业和电子 工业的发展,高压气瓶已成为我国数量最多的特 种设备,其质量直接影响人民的生命财产安全。 因此,对高压气瓶抽样检验并进行严格的型式试 验是必须的,而水压爆破试验更是一项必不可少 的检验项目。文中对2个同规格同材质的高压气 瓶进行壳体水压爆破试验后出现的两种不同破裂 形式,利用有限元软件模拟分析其爆破时的应力 分布情况。 1 受检高压气瓶介绍 1 高压气瓶外形尺寸外径厚度长度为 559 mm23 mm2 260 mIn,材质4130X,介质为 压缩天然气,结构形式为两端肩部近似半球形的长 管式高压气瓶。在进行型式试验水压爆破检验项目 中,水压达到96.1 MPa时气瓶爆破,产生碎片,破 口断面垂直于壳体表面,见图1。 2 高压气瓶材质、尺寸、介质和结构形式与 1 高压气瓶相同。 在进行型式试验水压爆破检测 收稿日期20140503 作者简介王浩亮1988一,男,甘肃静宁人,助理工程师,学士,从事压力容器的检验及分析工作。 石jIIl 化[设 201 {4t-. 第.13卷 1 1 『■ 帆爆破后断 ,J 『4}I 项}jr1t。水Jti达到98.3 MI a时气帆爆破,破【_J‘l 切唇状,几肺片产,j-,Ii.做【J在简体的轴线上,断面 j壳体衷 _45。灭们. }冬1 2。 2 2‘J 帆爆做后 ⅢJ小 2 高压气瓶水压爆破试验简述_l, ] 离JK 瓶 式试验t11,水 爆破试验的主 I i的足确定高 帆的极 力t-lJ燃破压力。高 气瓶的破裂形式分为 性 破裂和I脆 破裂.2种 破裂形式所对应的做【1肜状卞断 后 很大。 2.1 爆破形式 韧 破裂足指趟 情况下使I ’ 气瓶发牛r 性大变彤的一种破裂火效.也称为 H 火稳。 脆性破裂足指 C帆 破裂时没仃lI-著的塑性变 形,破裂时器壁的 也远小于材料的强度极 .仃 的甚至低于材料的JjfIJJ 极限时就广,fi做裂欠效。 2.2 破口形状 破f l址指压/fJ 器 外I太1作JfJ下的产生破裂的 断【J。高 气瓶常 的破口形状仃 种一种址爆 破后 『’’, 一个裂【J。‘- ,切腾状,儿 片产生,II_裂 【I在简体的轴线卜。裂【1断面_IJj先体 面呈 15。火 。 一种足爆破 J 多个碎片。尤规Jlj性状.断 乖 先体表面。 3 计算[ ] 3.1 理论计算 1 瓴柙沦卡JJ始J}f{}Jf 力P P 按照下 公 式计gt P 一 /,/3K l K 1 式q1。 为 服强 ,MI’a;K为外内径之比。 气瓶 试验力学 能检测项目巾,山 试验数 得剑1 } 训 瓶和2 商f{;气瓶的厢服强 度为79 .5 MPa和㈤. 1 M .代入式1得到的 1 幽 气瓶干2 I∞ 瓶的 始 服强度为 73.5 MI a和73.9 Mt a。 2 C帆理沦个 帔 力P 埘理想弹 性材 料制成fIJ厚 网筒,简啭达到整体屈服状态时所承 受的 力称伞厢服 力或极限 力.其汁算公式 如下。 9/ 一 nK \,O 将吱测 服强瞍的 验数 代入式2 剑的 1。离』Ji 瓶和2 I 瓶的州沦个 服强度为 78.9 MI a和79.5 MPa。 3 沦爆破』 按照下面公式计算 一_三 2 1nK 3 √{ \ O1, 武f{ 晒,为抗拉强度,MI 离 _己瓶 』I酞验力学 能检测项日f{J。由 试验数据得到1 舟 瓶干u 2 尚 气瓶的抗批强 度为963.5 MPa和 2.3 MPa。将实测试验数据 代入式{得到的1 尚压气瓶干l1 2 岛 气瓶的理 论爆破 力为92.1 M 干u 9 4.2 MI 根据l 述计算结 .2个高 C瓶实测爆破水 压均大下 论伞【fl『 服值也人于州沦爆破压力,所 以其破裂郝足 性破裂,itlt脆 破裂。 3.2 有限元模拟计算 3.2.1 建立模型 根据高爪气帆的 、1r大小干 气瓶的埘称 性, Auto、AD }】建 对应的1/4高 气瓶模型。 并导入ANSYS软件巾建 有 J己模型。『见图3。 }殳 元属性山十壳体形状/f 规则,采朋能较 好模拟物体形状的『I}h_一维四 体Solid45实体 元划分网格。 划分网格使川扣略网格方式划分网格, 元形 状为}兀1 体的体t 。 元总数16 950个,节点总 数21 573个. ,1。 施』Ju约 及筒戡仵进行商JI≯ 帆水压爆破试 验时. 一端连接增 没箭,视为令约束UX、Uy、 UZ。时两个断面施』JfJ面对称约 。为96.1 MPa,对 1 尚 气瓶有 厄模型内 嘶施加面荷载 96.1 MPa实测爆破 力数值.埘2。高压气瓶有 限元模 内表而施l『JIJ 茼载98.3 MPa实测爆破乐 增f1 消庇.等『■』 帆水 爆做试验 怵破裂的 ’ 分f』 力数值。 3.2.2 计算结果 1 I盘JIi,c瓶 96.1 MI rI爆破lI、f的 切』、 力厶 1 I 压 帆施JJI】约束及倚载 到见 5.Mises等效 力心力云图见图6。 2 高』K气瓶 98.3 MI a爆破时的最大剪切应 力云 见图7.Mises等效心力心力云图见图8。 、l,J lllJ 【I-lI 5 1 高压 e瓶96.1MPa爆破时的剪切心力 恪 h’ 6 I岛 气瓶 1 h MPa爆破ulf Mises 力分佰 石油化 I设备 2Ol4年 第43卷 冬{8 2 高压气瓶98.3MPa爆破时Mises应力分布图 3.2.3 结果分析 高压气瓶型式试验力学性能检测项日中,测得 l。高『li气瓶和2 高压气瓶的抗剪强度分别为 482.0 MPa和492.0 MPa。而由应力分布云图得 到。2个高压气瓶的最大的剪切应力都是径向剪切 膻力,最火剪切应力首先出现在高压气瓶壳体内壁, 分别为609.0 MPa和623.1 MPa,均大于实测抗剪 强度。最大的Mises应力出现在壳体内壁上.分别 为l 064 MPa和l 089 MPa,均大于实测抗拉强度 963.5 MPa和982.3 MPa。 1 高压气瓶和2 高压气瓶在进行水压爆破试 验中,逐渐增加水压时,高压气瓶内壁同时存在剪切 应力和拉应力,高压气瓶爆破时,气瓶内壁剪切应力 和拉成力都已超过材料的抗拉强度和抗剪强度,且 超过的剪切应力幅值大于拉应力的幅值,因此,高压 气瓶水压试验爆破都是以剪切破坏为主,同时存在 受拉断裂破坏。 高 气瓶破口以剪切破坏为主、受拉断裂破坏 为辅引起的,破口形式和断面与高压气瓶材质的韧 性和脆性有关,若材料的韧性较好时,爆破气瓶破口 足一个裂口,呈剪切唇状,无碎片产生,且裂口在简 体的轴线上,裂口断面与壳体表面呈45。夹角图 2。特材料韧性较差时,气瓶爆破产生碎片,无规则 形状,断面垂直壳体表面图1。 4 结论 1高压气瓶水压试验爆破壳体破裂都是以剪 切破坏为主,同时存在受拉断裂破坏。 2高压气瓶水压爆破壳体破裂时最大的等效 心力分布在整个瓶体内壁,等效应力沿内壁向外壁 方向递减。 3高压气瓶水压爆破壳体破裂时最大的剪切 应力呈线性分布在壳体轴线方向,最大剪切应力沿 内壁向外壁呈梯形递减。 参考文献 [1]岳忠,乍晓辉,张树.轼于ANSYS对车用全复合材料 CNG气瓶的安全研究[J].中国安全科学学报,2O11 37783. YUE Zhong,I I Xiaohui,ZHANG Shu.Safety Re searchon Vehiclcused CNG Cylinders with Full Corn posite Materials Based on ANSYS[J].China Safety Science JournaI,201137783. E23张而耕,刘鹏虎,王志文.蓄能器无缝钢瓶爆炸事故 的失效分析EJ3.机械工程材料,2003155 58. ZHANG Ergeng,l IU Penghu,WANG Zhiwen. Failure Analysis of Explosion Accident for the Sealess Vessel of 35CrMoAEJ].Materials for Meachinical En gineering,200315558. [3] 胡国栋,侍吉清,张玉福,等.囊式蓄能器有限元训‘算 及强度评定[J].石油机械,2009,3792831. HU Guodong,SH1 Jiqing,ZHANG Yu fu,eI a1. Capsule Type Accumulator Finite Element Analysis and Strength uationFJ].China Petroleum Machin cry,2009,37928-31. ]GB/T 15385 201 1,气瓶水压爆破试验方法[s]. GB/T】5385 20 l 1. for Hydrostatic Burst Test of Gas Cylinder Es]. [5]GB 1 5O.42011,压力容器第4部分-带4造、检验和验 收Es]. GB l5O.4 201 1,Pressure Vessels Part 4Fabri cation。Inspection and Testing,and Acceptance[S]. 许编

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