由于操作不当,某厂一用于存储聚丙烯
气体的低压湿式
气柜钟罩顶出现不同程度的坍塌、开裂,致使顶部配重块倾斜,砸向
钟罩顶,使得变形加剧,同时也使得钟罩壁严重变形、凹陷甚至开裂,变形区域超过1/3,已经不能正常使用。笔者对此事故进行初步
分析,建立钟罩塌陷的
故障树(FTA),通过对
故障树的
分析,找出了导致事故的直接原因;对在外压作用下
气柜钟罩顶的失稳临界压力进行理论分析计算,得到其理论的临界失稳压力;并利用有限元分析软件ANSYS610对外压作用下的钟罩进行了非线性有限元分析计算。
聚丙烯
气柜结构见图1。为安全起见,钟罩壁和钟罩顶均取测厚仪所测量的最小壁厚进行计算,具体参数如下:
钟罩壁 14 400mm(内径)x6 690mmx3mm
钟罩顶 17 280mm(内半径)x1 57115mmx4mm
操作压力 4905Pa(表压)
操作温度 40度
介 质 聚丙烯气体
材 料 Q235-A
气柜依靠水的浮力、
气柜内的气体压力以及配重块之间的平衡来使钟罩上下浮动,其上升高度取决于钟罩内气体的储存量:当向
气柜内注入气体,气体储存量增加时,钟罩开始上升,以增加气体存储空间,直至钟罩上升至最高位置;反之当从
气柜中抽气,气体储存量减少时,钟罩则下降。
2 故障树分析
从聚丙烯
气柜的工作流程(图2)可以看出,当从
气柜中抽气,气体储存量减少时,钟罩则下降;当钟罩下降到最低位置时,应立即关闭抽气泵停止抽气,或打开进气阀。由于本
气柜系统未设置低限位置报警装置以及操作工操作失误,在
气柜已经处于低限位置时,未关闭抽气泵压缩机,仍然继续抽气,因此导致
气柜内形成负压,使
气柜钟罩顶首先发生失稳;而顶部倾斜后配重块滑落砸向罩顶,使得罩顶的变形进一步增大,甚至开裂。而钟罩顶的变形使得钟罩壁的受力情况发生变化,进一步导致钟罩壁的扭曲变形。根据以上分析,建立钟罩顶塌陷事故的故障树(图3)。
结构重要度表征基本事件在故障树结构中所占地位造成的影响程度,其计算公式如下:
式中 n--------故障树中基本事件的数目;
Li---------基本事件i的重要度;
mi------其他事件的状态不变,当事件i的状态由/不发生0到/发生0时,顶事件也由状态/不发生0变到/发生0的次数。
各基本事件及其重要度见表1。从表1可以看出,事件4/未设置负压保护装置0和事件5/负压保护装置故障0的重要度最大,均为014306;其次为事件1~3,即进气系统的基本事件;事件6~11的重要度系数均较小。由此可见,在该故障树中事件4/未设置负压保护装置0和事件5/负压保护装置故障0对顶事件/钟罩顶塌陷0的影响最大。
因此,为了有效避免/
气柜钟罩顶塌陷0事故的发生,应对该
气柜设置负压保护装置,推荐采用压力开关控制系统[3]。该控制系统不以钟罩的位置高低而发出控制信号,而以
气柜内与
气柜外的压力差作为开关动作的信号。当
气柜内压力大于大气压力时,该系统不动作,即抽气泵压缩机
能够起动和运行;当
气柜内压力等于或小于大气压力时,该系统动作,切除抽气泵压缩机控制器的电源,使抽气泵停止工作,以避免
气柜被抽瘪。采用该系统可以及时避免负压作用下钟罩顶的外压失稳事故。
本文的理论计算部分仅计算钟罩顶的理论临界失稳压力。通过理论计算分析[4],得到壁厚为4mm时该
气柜的临界失稳压力为219kPa。为了进一步了解该
气柜钟罩承受外压时的具体变形情
况,采用应力分析软件ANSYS610[5],利用有限元方法来进一步对承受外压的钟罩进行非线性有限元分析。
3.1 建立有限元计算模型
由于
气柜实际结构的轴对称性,有限元计算模型采用图4所示的轴对称模型。
3.2 载荷及边界(约束)条件
对于承受外压的压力容器,其边界条件如图4所示,在对称面上限制法线方向的位移自由度.在ANSYS前处理器中建立其有限元模型,进行网格划分,单元网格划分结果见图5。
3.3 结果及分析
从有限元分析的结果可以看出,钟罩顶与罩壁结合部位附近的应力、变形均较大(图6、7),这是由于钟罩顶与钟罩壁的结合处存在结构不连续而导致的,因此该部位属于易发生失效的危险区域。
由于此问题属于非线性问题,因此本文利用ANSYS的时间历程后处理器POST26,进一步得到计算模型中指定点的分析结果(如变形)与时间的函数关系,对载荷-位移曲线的分析表明[4]:随着载荷的增加,特征部位的位移逐渐增加,当载荷增加到一定程度时,位移增加比较明显,即结构总体的变形加剧,产生失稳屈曲失效,即回归曲线斜率变化比较明显时对应的外压值约在214kPa附近。这表明在该区域,即使外压增加的幅度不大,仍有可能使
气柜钟罩产生较大的变形,这一分析结果与理论计算结果亦比较吻合。
4 结论
4.1 外压作用下的
气柜钟罩顶屈曲失稳,是导致
气柜塌陷的直接原因;通过对故障树的重要度分析,得到对顶事件/
气柜钟罩顶塌陷0影响最大的基本事件为/未设置负压保护装置“和/负压保护装置故障”事件。
4.2 为了避免
气柜钟罩顶塌陷事故的发生,建议对该
气柜设置负压保护装置,推荐采用压力开关控制系统将压力传感器与抽气泵压缩机相连接,一旦容器内压力小于大气压力,控制系统自动切断压缩机的电源。
4.3 对外压作用下
气柜钟罩顶的失稳临界压力进行理论分析计算,得到其理论的临界失稳压力为219kPa。利用应力分析软件ANSYS610,对外压作用下的钟罩进行了非线性有限元分析,得到
钟罩在外压下的变形情况以及特征部位单元的载荷-位移曲线,该曲线表征了
气柜钟罩在外压作用下的变形情况。
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