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液化氣(LPG)在工業(yè)與民用方面已得到日益廣泛使用，由于其具有易燃易爆等特性，在貯運(yùn)過(guò)程中存在著因泄漏而引起火災(zāi)或爆炸的危險(xiǎn)性。液化氣在貯存時(shí)多數(shù)使用低合金高強(qiáng)度鋼球罐，貯存方式大多為常溫壓力貯存。，需要對(duì)鋼球罐進(jìn)行有限元分析校核。
在火災(zāi)引發(fā)的高溫環(huán)境中，液化氣貯罐所表現(xiàn)的熱響應(yīng)行為是罐內(nèi)介質(zhì)溫度和壓力上升，特別是蒸汽區(qū)，由于蒸汽的比熱容遠(yuǎn)小于液相的比熱容，使蒸汽的溫度上升很快，相應(yīng)的罐內(nèi)壓力也迅速上升。如蒸汽壓力超過(guò)安全閥設(shè)定的壓力，使得罐內(nèi)壓力快速下降，從而引起液相在壁面附近沸騰，會(huì)導(dǎo)致沸騰液體膨脹蒸汽爆炸。不過(guò)，火災(zāi)環(huán)境中液化氣貯罐熱響應(yīng)的同時(shí)還伴隨著貯罐本身的力學(xué)響應(yīng)，涉及到溫度和壓力作用下貯罐中應(yīng)力的變化，會(huì)由于強(qiáng)度不夠而導(dǎo)致貯罐開(kāi)裂，這方面的研究工作未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。
研究基于壓力容器安全的考慮，根據(jù)火災(zāi)環(huán)境下液化氣球罐的瞬態(tài)熱響應(yīng)的有限元分析結(jié)果，采用ANSYS的熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元分析方法，研究火災(zāi)中環(huán)境溫度和相應(yīng)的壓力作用下球罐的應(yīng)力分布。根據(jù)應(yīng)力分類(lèi)方法，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，評(píng)價(jià)高溫環(huán)境下液化氣球罐的安全性。
為了研究液化氣球罐在火災(zāi)環(huán)境下應(yīng)力狀態(tài)以及強(qiáng)度，針對(duì)罐體材料隨溫度變化而帶來(lái)的力學(xué)性能的變化，進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，研究材料應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)以及屈服強(qiáng)度6s和抗拉強(qiáng)度6g隨溫度變化的規(guī)律。
試驗(yàn)用材料為16MnR，試驗(yàn)在裝有高溫爐的島津材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)方法按GB/T4338-1995進(jìn)行。測(cè)量得到的16MnR在350 ℃，400℃和450℃的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖，相應(yīng)的屈服強(qiáng)度6s和抗拉強(qiáng)度6h值列于表。根據(jù)文獻(xiàn)所給出的16MnR在不同溫度下屈服強(qiáng)度6s和抗拉強(qiáng)度6h值，繪制出其強(qiáng)度指標(biāo)隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。由圖可知，隨溫度升高，屈服強(qiáng)度6s逐步降低，特別是250℃以上有明顯的下降，而6h在200 ~300℃之間出現(xiàn)峰值，這是時(shí)效硬化的結(jié)果。液化氣球罐在火災(zāi)環(huán)境中，其罐體由于壓力變化和不同的溫度分布而產(chǎn)生不同的應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)生熱彈塑性變形。由于局部的部位存在應(yīng)力集中，常常在未達(dá)到爆破壓力之前，造成應(yīng)力強(qiáng)度不夠，使得球罐開(kāi)裂，引發(fā)后續(xù)的火災(zāi)爆炸。
本研究采用熱-結(jié)構(gòu)藕合的有限元分析方法，綜合考慮溫度、壓力以及材料性能的變化，對(duì)火災(zāi)環(huán)境中液化氣球罐的應(yīng)力狀況進(jìn)行研究。熱-結(jié)構(gòu)耦合分析是在液化氣球罐熱響應(yīng)行為的基礎(chǔ)上，將計(jì)算得到的罐體溫度轉(zhuǎn)化為單元節(jié)點(diǎn)上的溫度，再作為一種體載荷與壓力共同作用。
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