爆炸破片对LPG储罐的影响因素分析

王 郑， 李换芝

（中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051）

引 言

随着石油化工行业的发展，液化石油气（LPG）储罐应用越来越广泛，伴生而来的事故也层出不穷。统计分析［1］表明，化工事故中，有关液化气体的事故约占15%，而其中的爆炸事故约占35%，在储存和运输中发生的几乎占一半。一旦发生事故极有可能诱发连锁反应，产生多米诺效应，危及整个罐区，造成生命、财产的严重损失［2］。因此，为了减少甚至避免这类事故的频繁发生，研究人员从各个角度研究液化石油气储罐爆炸的原因、作用机理以及如何有效避免事故的发生，或者减少事故损失。如，改进设计、工艺、材料，增加安全设施等，同时，加强管理手段（如，建立职业安全健康管理体系、严格操作规程、实施安全生产责任制、安全检查等）来降低事故发生率。其中，运用ANSYS进行事故模拟是行之有效的方法［3］。LPG储罐发生事故时会释放大量能量，这些能量会将储罐撕成具有一定动能的破片，破片高速飞出，如果击中周围的人员或设备，将产生连锁事故［4］。使用ANSYS有限元分析软件的LS-DYNA显式动力学模块及LS-PREPOST后处理软件研究LPG储罐在火灾环境下受到破片撞击而失效的机理，较之以前对此领域的研究，加入了入射角度因素对撞击效果的影响，更接近真实情况。通过研究破片撞击LPG储罐的失效过程，分析破片特性对储罐失效的影响，具有一定的现实意义。

1 破片撞击储罐过程的数值模拟

1.1 建立模型

由于破片撞击储罐属于高温、高压、高应变率、大变形等情况，因此，应采用合理的材料模型分析此类问题。ANSYS/LS-DYNA自带的Johnson-Cook塑性模型，适用于温度、应变率等大范围变化使其绝热失效的材料，并且该模型还带有断裂失效模型，通过输入合适的断裂损伤参数［5］，就可以得到模拟结果。另外，压力容器爆炸形成的破片形状通常为长条或扁平状，故将破片设计为扁平的长方体以方便模拟分析。

为了节省计算资源，有利于划分网格，选取1/10球罐体的上半部分，即0°～89°的半圆弧形球面，通过借助局部坐标系建立破片模型。局部坐标系原点坐标为（1.65，1.65，0.45），XY平面，YZ平面，ZX平面分别旋转-45°、12°、-20°。破片沿球罐表面法线方向撞击球罐，几何尺寸为0.10m3×0.05m3×0.30m3。撞击时的接触面积为0.10m2×0.05m2。具体模型见第26页图1。

图1 球罐及破片模型

1.2 网格划分及求解设置

为了直观地反映破片撞击储罐的动态过程，选用SOLID164三维实体单元，采用Lagrange单点积分法算法，对破片及罐体进行映射网格划分，见图2。其中，罐体与破片撞击接触区域进行局部加密，其余范围的网格密度划分的比较稀疏。

在爆炸冲击数值模拟领域，接触分析很关键。由于破片撞击罐体的过程中可能产生严重畸变网格，发生破片、罐体碰撞网格失效的情况，因此，一般选择 CONTACT＿ERODING＿SURFACE＿TO＿SURFACE侵蚀接触。该接触类型能够自动删除变形过大网格，使计算继续进行下去［6］。另外，对罐体底面和2个侧面施加边界无反射，并对选定节点设置全自由度约束，避免边界处反身波的影响。

破片的初始撞击速度可以根据经验来进行初步估值，然后再进行调整，直至破片能侵彻模型。为了更好地体现破片撞击罐体的效果，模拟中破片将沿球罐表面法线方向撞击球罐，并结合撞击速度估计结果，设定破片X、Y方向的分初速度都为-440m/s，Z方向的分初速度为-140m/s，则破片的初速约为638m/s。

图2 有限元模型

2 数值模拟结果

由模拟结果可知，破片撞击LPG罐体主要分为侵入、破孔、穿透、惯飞4个阶段。

1）侵入阶段。如图3、图4所示，大约在0μs～5μs。这一阶段，破片以较大的初速度飞行并撞击罐体，破片头部侵入罐体外表面，并发生明显变形。罐体外表面在破片的冲击作用下，向内部凹陷，形成内部鼓包。

2）侵蚀破孔阶段。如图5、图6所示，大约在5μs～16μs。此阶段，随着破片变形程度的增大，破片冲击波产生的压力逐渐增大，超过材料的屈服强度，导致碰撞点附近罐体金属材料失效，向外侧和自由表面流动，逐渐侵蚀罐体，使孔径不断增大。

图3 破片头部的变形

图4 罐体内部的鼓包

图5 破片的进一步变形

图6 罐体内部的变形

图7 穿透阶段的储罐外部

图8 穿透阶段储罐内部

3）穿透阶段。如图7、图8所示，大约在16μs～20μs。此阶段，罐体材料过大变形产生的热量来不及扩散，积累的变形热使其温度大大升高，导致材料软化失效，形成塞块［7］。破片剩余能量将塞块冲出罐体，形成破孔。当孔径增大到使变形的破片穿过时，罐体即被完全穿透。

4）惯性飞行阶段。如图9、图10所示，大约在20μs～100μs。此阶段，破片完全贯穿罐体后，罐体对破片飞行丧失阻碍作用，破片在残余速度作用下继续飞行，进入惯性飞行阶段，对周围物体造成伤害。

图9 惯性飞行阶段储罐外部

图10 惯性飞行阶段储罐内部

3 结果分析与讨论

3.1 撞击过程中破片的速度变化分析

选取撞击时破片头部与罐体接触面上的5703号节点，由LS-PREPOST后处理软件输出它的总速度、X、Y、Z方向分速度变化曲线，如图11～图14所示。由图11～图14可知，在破片碰撞罐体的入侵穿孔阶段，受罐体的阻碍作用，破片消耗较多动能，总体速度下降较快。在约8μs，即破片侵蚀破坏罐体瞬间，破片速度达到最低。其后，由于罐体材料的失效变形，其阻碍作用减弱，破片速度有所上升，但由于前期入侵阶段消耗能量过多，速度上升幅度不大。之后，随着破片和罐体的不断变形，破片受到上下浮动的阻力，导致其速度略有波动。当破片完全贯穿罐体后，破片仍具有剩余速度，继续飞行。

3.2 影响破片撞击储罐过程的破片特性分析

破片的初始撞击速度、破片与罐体的接触面积、入射角度以及破片的质量（体积）等都是影响破片撞击罐体过程的主要因素［8］。以5703号节点为研究对象，通过改变各影响因素的值来分析其对罐体破坏所造成的影响，讨论了罐体破坏随各影响因素的变化规律。

图11 总速度变化曲线

图12 X方向的分速度变化曲线

图13 Y方向的分速度变化曲线

图14 Z方向的分速度变化曲线

1）初始撞击速度

利用上述模型，保持破片与罐体接触面积0.30m2×0.05m2、入射角度0°、体积0.10m3×0.05m3×0.30m3不变，只改变破片的初速度，以此分析不同初始撞击速度对破片撞击过程的影响。结果见表1。

表1 不同破片初速度下的计算结果

分析表1结果，随着破片初速度的增加，侵彻时间缩短，剩余速度增加，即破片初速度与穿透力成正比。在其他条件不变的情况下，存在1个临界速度，破片初速度小于这个值，不能侵彻罐体，且这个速度在622m/s～638m/s，记为VL。

2）接触面积

保持破片初速度638m/s、入射角度0°、体积0.10m3×0.05m3×0.30m3不变，只改变破片与罐体撞击时的接触面积，以此分析不同接触面积对破片撞击过程的影响。结果见表2。

表2 不同接触面积下的计算结果

由表2可知，相同条件下接触面积越大，对罐体的作用越小，即破片与罐体的接触面积与穿透力成反比。在保持其他条件不变的情况下，存在1个临界接触面积，破片大于这个面积，侵彻不能完成，且这个面积在0.30m2×0.05m2～0.10m2×0.30m2，记为AL。

3）入射角度

保持破片初速度638m/s、接触面积0.3m2×0.05m2、体积0.10m3×0.05m3×0.30m3不变，只改变破片与罐体撞击时的入射角度。结果见表3。

表3 不同入射角度下的计算结果

由表3可知，入射角度不同则撞击效果不同，甚至不能发生侵彻。入射角与破片穿透力成反比，当入射角大于45°时，可能发生“跳飞”现象。

4）破片质量（体积）

保持破片初速度638m/s、接触面积0.30m2×0.05m2、入射角度0°不变，只改变破片质量（体积），以此分析不同的质量（体积）对破片撞击过程的影响。结果见表4。

由表4可知，相同条件下，破片质量（体积）越大，穿透罐体所需时间越短，对罐体的作用越大，破片质量（体积）与穿透力成正比。且存在1个临界破片质量（体积），小于这个质量（体积），侵彻不能完成，这个临界质量（体积）在0.10m3×0.05m3×0.10m3～0.20m3×0.05m3×0.10m3，记为BL。

表4 不同破片质量（体积）下的计算结果

4 结论

1）破片侵彻LPG储罐过程分为侵入、侵蚀破孔、穿透和惯性飞行4个阶段，对应时刻分别为：0μs～5μs、5μs～16μs、16μs～20μs、20μs～100μs。

2）破片侵彻过程，约在8μs，即破片侵蚀破坏罐体瞬间，破片速度达到最低。其后，由于罐体材料的失效变形，其阻碍作用减弱，破片速度略有所上升。当破片完全贯穿罐体后，破片仍具有剩余速度，继续飞行，对周围物体产生破坏作用。

3）破片穿透力受破片特性的影响，穿透力与破片初速度、破片质量成正比，与接触面积、入射角成反比，且各因素均存在1个临界量，大于或小于该临界量侵彻不能发生。本研究对LPG储罐的布局及安全管理具有指导意义。

［1］ Planas-Cuchi E，Montiel H.A survey of the original type and consequences of fire accidents in process plants and in the transportation of hazardous materials［J］.Process Safety and Environmental Protection，1997，75（B1）：3-8.

［2］ 张兆杰，王发现，曹志红等.压力容器安全技术［M］.郑州：黄河水利出版社，2001.

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