危化品常壓罐車罐體安全性能力學(xué)研究分析

付紅栓

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062）

常壓罐車作為危險(xiǎn)化學(xué)品主要運(yùn)輸工具，為化工行業(yè)和經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)，目前國內(nèi)道路運(yùn)輸市場現(xiàn)有常壓罐車超18 萬輛。 與此同時(shí)，由于常壓罐車的制造不完全按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行， 管理混亂致使眾多事故頻頻發(fā)生，例如2014年3月1日晉濟(jì)高速巖后隧道事故，致40余人喪生，12 人受重傷， 直接財(cái)產(chǎn)損失8197萬元；2018年6月29日， 京港澳高速公路衡陽段重大交通事故，致18 人死亡，14 人受重傷，直接財(cái)產(chǎn)損失2632.8 萬元[1，2]。

影響?；烦汗捃嚨陌踩阅艿闹饕蛩赜袃蓚€(gè)，一是罐體的強(qiáng)度必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，二是海底閥結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在遇到緊急情況時(shí)滿足剪斷槽首先斷裂而罐體結(jié)構(gòu)完好,本文就裝運(yùn)汽油介質(zhì)的罐車罐體的強(qiáng)度進(jìn)行研究分析。

1 罐體筒體的設(shè)計(jì)厚度規(guī)范

1.1 罐體的設(shè)計(jì)壓力

當(dāng)設(shè)計(jì)壓力小于0.1 MPa 并且真空度小于0.02 MPa 時(shí)， 罐體的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)按照NB/T 47003.1 的規(guī)定； 當(dāng)設(shè)計(jì)壓力大于0.1 MPa 或者真空度大于0.02 MPa 時(shí)， 罐體的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)按照GB/T1 50 的規(guī)定[3]。

1.2 罐體的計(jì)算壓力

當(dāng)充裝介質(zhì)50℃的飽和蒸氣壓小于0.01 MPa 時(shí)，計(jì)算壓力應(yīng)取下列（1)、（2）中的較大值。

（1）設(shè)計(jì)壓力與罐體慣性力壓力之和；

（2）采用重力卸料時(shí)，應(yīng)取兩倍水柱靜壓力。

1.3 罐體的計(jì)算厚度

罐體的計(jì)算厚度應(yīng)按照規(guī)定的許用應(yīng)力和計(jì)算壓力及GB/T 150 進(jìn)行計(jì)算。

式中 δ——罐體計(jì)算厚度，mm

Di——罐體當(dāng)量中面直徑，mm

[σ]t——材料設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力，MPa

φ——焊接接頭系數(shù)

P——罐體內(nèi)壓，MPa

1.4 罐體的最小厚度

罐體的最小厚度不包括腐蝕裕量、原材料的負(fù)偏差以及制造成形過程中的減薄量，鋼制材質(zhì)的罐體最小厚度δ1

式中 δ0——基準(zhǔn)鋼罐體設(shè)計(jì)的最小厚度，mm

Rmin——設(shè)計(jì)使用材料標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度下限值，MPa

A1——設(shè)計(jì)使用材料的斷后伸長率，%

罐體的設(shè)計(jì)厚度應(yīng)大于罐體計(jì)算厚度與材料腐蝕裕量的和，同時(shí)大于最小厚度與材料腐蝕裕量的和。

2 建立虛擬模型

2.1 罐體基本參數(shù)確定

設(shè)備名稱：運(yùn)油車

產(chǎn)品型號：SH5356GYY

罐體外形尺寸：9000×2500×2000 mm (橢圓形)

介質(zhì)：汽油

罐體容積：35 m3

罐體材質(zhì)：Q235B

罐體設(shè)計(jì)代碼：LGBF

焊縫系數(shù)：0.85

腐蝕裕量：1.0 mm

設(shè)計(jì)溫度：50℃

設(shè)計(jì)使用年限：10年

2.2 確定罐體的厚度

罐體的最小成型厚度應(yīng)大于設(shè)計(jì)厚度[4-6]，根據(jù)汽油50℃時(shí)的飽和蒸氣壓為87 kPa,故取設(shè)計(jì)壓力為0.087 MPa；Q235B 材料50℃下許用應(yīng)力[σ]t為132 MPa。

橢圓形罐體的當(dāng)量直徑

由公式（1）得罐體的計(jì)算厚度

設(shè)計(jì)厚度為計(jì)算厚度2 mm 與腐蝕裕量1.0 mm 之和，大于等于3 mm。

由公式（2）得罐體的最小厚度

設(shè)計(jì)厚度為最小厚度6.2 mm 與腐蝕裕量1.0 mm 之和，大于等于7.2 mm。

綜上所得，罐體在沒有安裝剛性破壞保護(hù)裝置的前提下，罐體的最小厚度為7.2 mm。

2.3 建立仿真模型

目前Solidworks 三維仿真軟件是建筑、化工、機(jī)械、航空航天、石油等行業(yè)的主流軟件之一，它具備繪制二維工程圖、管路設(shè)計(jì)、鈑金焊件設(shè)計(jì)、三維立體設(shè)計(jì)的功能，同時(shí)還可以將三維實(shí)體造型投影成二維工程圖， 支持CAD 二維圖形導(dǎo)入SolidWorks 三維軟件，可直接轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體模型。 SolidWorks Premium 的插件有SolidWorks motion （運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真）、Solidworks simulation（應(yīng)力分析）、SolidWorks routing（管道、管筒、 電線/電纜和電力導(dǎo)管）、SolidWorks Flow Simulation （流體力學(xué)分析）、SolidWorks Plastics Simulation(注塑件模擬)等，其分析結(jié)果可直觀地讀取。

常壓罐車的常規(guī)組成結(jié)構(gòu)有發(fā)動(dòng)機(jī)、橫梁支架裝置、罐體、傾覆保護(hù)裝置、裝卸管路系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)、扶梯、罐頂操作臺、護(hù)欄、安全附件（安全閥、爆破片、呼吸閥、真空閥、緊急切斷裝置等）、儀器儀表（壓力表、溫度計(jì)、液位計(jì)）等[7-9]。本文主要研究罐體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，將罐車實(shí)體模型簡化為發(fā)動(dòng)機(jī)、橫梁支架裝置、罐體、橫梁、車軸（BPW）組成，利用SolidWorks 三維仿真軟件對罐車各零部件建模，罐體裝配圖簡化模型如圖1 所示。

圖1 罐車裝配圖

3 罐體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核分析

罐體結(jié)構(gòu)是整個(gè)罐車的重要組成部分，罐體強(qiáng)度直接影響著罐車的安全，首先利用物理學(xué)受力分析對罐體進(jìn)行計(jì)算，然后在三維軟件中對罐體做受力仿真分析。

3.1 罐體力學(xué)分析

罐體設(shè)計(jì)壓力取50℃飽和蒸氣壓壓力與封罐壓力、 液體膨脹壓力之和， 設(shè)計(jì)壓力取0.2 MPa，兩倍的水柱靜壓力P=2ρgh=2×1000×10×2÷106=0.04 (MPa), 故液壓耐壓試驗(yàn)壓力取0.26 MPa。 罐體內(nèi)部受力均勻分布，以罐車的車軸為支點(diǎn)，L1為罐體車頭前段部分距前車軸的距離，L3為罐體車尾部分距后車軸的距離，L2為兩車軸之間的距離，受力分析圖如圖2 所示。

圖2 罐體受力分布圖

對于A、B 兩支點(diǎn)的支撐力

A支點(diǎn)，由支點(diǎn)受力平衡得

B 支點(diǎn)，同理得

3.2 罐體靜力仿真分析

在正常靜止?fàn)顟B(tài)下，常壓罐車罐體底部受到的壓力最大且均勻分布，為此將罐體分上下兩部分截面斷開，在SolidWorks 軟件中對罐體下半部分截面進(jìn)行靜力學(xué)分析。首先定義罐體材料屬性為普通碳鋼，以底座的支撐點(diǎn)為固定夾具，然后給罐體施加載荷力，最后生成網(wǎng)格并運(yùn)算。

當(dāng)筒體中間部位無剛性破壞的保護(hù)裝置時(shí)，得出罐體受到的應(yīng)力如圖3 所示，罐體的應(yīng)變?nèi)鐖D4 所示。當(dāng)筒體中間部位設(shè)置剛性破壞的保護(hù)裝置時(shí)，得出罐體受到的應(yīng)力如圖5 所示，罐體的應(yīng)變?nèi)鐖D6 所示。

圖3 罐體應(yīng)力圖

圖4 罐體應(yīng)變圖

由圖3 罐體應(yīng)力圖可得，罐體的最大應(yīng)力分布在兩車軸的中間部位， 其應(yīng)力數(shù)值大約為2.6e+03 MPa；由圖4 罐體應(yīng)變圖可得，罐體的最大合應(yīng)變在罐體中部， 其數(shù)值大約為3.85e+02 mm。由圖5 罐體應(yīng)力圖可得，罐體的最大應(yīng)力分布在兩車軸的中間部位， 其應(yīng)力數(shù)值大約為2.2e+03 MPa；由圖6 罐體應(yīng)變圖可得，罐體的最大合應(yīng)變在罐體中部和封頭部位，其數(shù)值大約為1.25e+02 mm。 由此可見，筒體中間部位在無剛性破壞的保護(hù)裝置和設(shè)計(jì)剛性破壞的保護(hù)裝置時(shí)時(shí)，其最大應(yīng)力值變化不大，而筒體的最大變形量將減小68%左右，說明剛性破壞的保護(hù)裝置對罐體的強(qiáng)度作用非常關(guān)鍵。

圖5 罐體應(yīng)力圖

圖6 罐體應(yīng)變圖

4 結(jié)論

本文以?；烦汗捃嚍檠芯繉ο?，當(dāng)筒體在有、 無剛性破壞保護(hù)裝置兩種情況下，在SolidWorks 仿真軟件中進(jìn)行應(yīng)力分析。 結(jié)果表明， 兩種情況下筒體受到的應(yīng)力變化不明顯，而筒體的最大變形量減小約68%，剛性破壞保護(hù)裝置對罐體的強(qiáng)度起到了很好的保護(hù)作用，這為設(shè)計(jì)制造提供了有力的數(shù)據(jù)參考價(jià)值，為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了依據(jù)。