液化石油气容器过量灌装危险性分析
作者：严铭卿1 曹琳2 严长卿3
来源：1.中国市政工程华北设计研究院 2.哈尔滨工业大学 3.河南省交通规划勘察设计院
评论： 更新日期：2013年05月23日
摘要：建立了液化石油气容器在充满状态下，升温导致其膨胀破裂的动态解析模型。模型考虑容器壳体材料的弹性、塑性变形，适用于容器外壳在塑性变形范围内发生破裂的问题。结合算例，对可导致液化石油气容器外壳破裂的温升进行了求解。
关键词：液化石油气；容器；灌装；危险性分析
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
液化石油气(LPG)容器(大容积的储罐或小容积的钢瓶)都不应完全灌装满，一般容积灌装率≤0.85。容积灌装率与灌装时的温度、LPG的组成和灌装后可能的温升等有关，如能按规定的容积灌装率灌装可保证容器在环境温度变化时的安全。一旦过量灌装，易发生容积灌装率达到100%的状况。液态LPG的体胀系数很大(在10～20℃为水的17倍)。完全充满LPG的容器，在环境温度升高的情况下，膨胀的液态LPG会引起容器壳体发生很大的应变，导致应力急剧增大。当应力超过容器材料的强度极限时，即引起容器破裂[1、2]。本文建立LPG容器在充满状态下，升温导致膨胀破裂的动态解析模型，其中建立容器壳体材料的弹塑性线性模型，将容器壳体材料塑性阶段由屈服极限点到强度极限点的应力曲线简化成斜率为常数的直线，用于讨论容器壳体材料实际发生在塑性范围的破裂问题。
1 动态解析模型的建立
1.1 容器材料在弹性变形阶段的应力及应变
设LPG容器的容积为y(单位为m3)，装满液态LPG(以下LPG均指液态LPG)后，在温升为山(单位为℃)时，LPG的体积增量为：
dVLPG,t=αVdt (1)
式中dVLPG,t——因升温LPG体积的增加量，m3
α——LPG体胀系数，K-1
由于LPG具有压缩性，因此有：
dVLPG,p=-κVdp (2)
式中dVLPG,p——因压力增加LPG体积的减少量，m3
κ——LPG的压缩率，Pa-1
dp——容器中LPG内压力增加量，Pa
在弹性变形阶段内，容器壳体钢材的应力及应变为：
式中σ——在LPG内压下容器壳体应力，Pa
n——系数，圆筒形容器取2，球形容器取1
E——容器壳体材料弹性模量，Pa
υ——泊松数
ε——在LPG内压力下容器壳体应变
△R——容器半径增量，m
R——圆筒或球形容器半径，m
由式(3)可得：
将式(5)代人式(6)可得：
环境引起容器中LPG升温时，LPG体积发生变化，引起容器容积发生变化的计算式为：
dV=dVLPG,t-dVLPG,p (9)
将式(1)、(2)代人式(9)得：
对于圆筒形容器(理想化为圆柱形，高为h，单位为m)：
对于球形容器：
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