CN113504103A - 高海拔条件液化石油气钢瓶充装过程承压性能检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高海拔条件液化石油气钢瓶充装过程承压性能检测方法，包括有如下步骤：(1)在钢瓶竖直部位处，沿周向间隔粘贴应变片；(2)将应变片连接成桥接电路；(3)在同一加装量下，测试不同温度下，钢瓶内的压力值；(4)测试不同海拔高度下，钢瓶内外压差和钢瓶体结构的应变值；(5)在海拔高度5000m下，进行极限加压爆破实验，直到钢瓶爆破。本发明的有益效果是：经过理论推导与论证，设计了评估模型，在内地与西藏高海拔地区进行试验，通过试验数据验证了评估模型与实际工况吻合较好。
Description
技术领域
本发明涉及液化石油气钢瓶性能测试领域，特别是高海拔条件液化石油气钢瓶充装过程承压性能检测方法。
背景技术
化石油气钢瓶爆炸等事故严重威胁人民群众生命财产安全，特别是在高海拔地区，由于气压、气温都和低海拔地区存在显著差异，在液化石油气充装和使用过程中，钢瓶爆炸更容易发生，研究钢瓶承压性能就更为重要。现有液化石油气钢瓶充装过程中受海拔、温度、充装量的影响因素模型较较少，且评估过程中误差较大，导致为高海拔地区液化石油气钢瓶的运营与监管产生了较大的阻碍。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种高海拔条件液化石油气钢瓶充装过程承压性能检测方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种高海拔条件液化石油气钢瓶充装过程承压性能检测方法，包括有如下步骤：
(1)在钢瓶竖直部位处，沿周向间隔粘贴应变片；
(2)将应变片连接成桥接电路；
(3)在同一加装量下，测试不同温度下，钢瓶内的压力值；
(4)测试不同海拔高度下，钢瓶内外压差和钢瓶体结构的应变值；
(5)在海拔高度5000m下，进行极限加压爆破实验，直到钢瓶爆破；
进一步的，步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)基于如下模型：
[P内(ΔT，m)-P外(H)]
式中：Uout为输出电压，μ为材料泊松比，E为材料的弹性模量；
进一步的，步骤(1)中，使用8片应变片，分布在钢瓶竖直部位前后左右四个方向；
进一步的，步骤(3)的具体过程为，在加装量为2～15kg范围内，取6个加装量值，在同一加装量情况下，在温度为5～30℃范围内，取6个温度点值，每个温度点保持4h，采集对应温度下的钢瓶内压力；
进一步的，6个加装量值分别为2kg、4kg、6kg、10kg、13kg和15kg；6个温度点值分别为5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃；
进一步的，步骤(4)的具体过程为，在海拔高度为1500～5000m范围内，每升高500m取一个海拔高度；在每个海拔高度下，采用高压氮气给钢瓶加压，注入过程中，每增加2atm，采集一次应变值，直到钢瓶内压力P内达到20atm；
进一步的，步骤(5)的具体过程为，持续加压过程中，连续采集得到应变值数据，若加压到24.1atm，钢瓶没有爆破，停止加压，结束极限加压爆破实验；
更进一步的技术方案是，在海拔5000m海拔下，以30℃作为钢瓶工作环境温差，许用压升阈值11.7atm对应的充装量为13.84kg。
本发明具有以下优点：经过理论推导与论证，设计了评估模型，在内地与西藏高海拔地区进行试验，通过试验数据验证了评估模型与实际工况吻合较好；研究了海拔高度、介质充装量、工作环境温度等因素对钢瓶承压性能的影响，试验结果数据表明，随着海拔增高，瓶内外压差增加，温差大，钢瓶承压性能减弱；随着充装量增大，瓶内压力增大，近似线性关系；工作环境温度对钢瓶内压力的影响明显。研究结果为高海拔地区液化石油气钢瓶的运营与监管提供了有益参考；提供了5000m海拔地区下钢瓶石油液化气充装量的安全值。
附图说明
图1为应变片的粘贴方式示意图。
图2为应变片连接成桥接电路的连接方式。
图3为壁面微小单元受力分布情况。
图4为信号放大电路。
图5为不同加装量、不同温度对钢瓶内压力的影响。
图6为不同海拔高度对钢瓶强度的影响。
图7为极限加压爆破实验结果。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：一种高海拔条件液化石油气钢瓶充装过程承压性能检测方法，包括有如下步骤：
(1)在钢瓶竖直部位处，沿周向间隔粘贴应变片；
(2)将应变片连接成桥接电路；
(3)在同一加装量下，测试不同温度下，钢瓶内的压力值；
(4)测试不同海拔高度下，钢瓶内外压差和钢瓶体结构的应变值；
(5)在海拔高度5000m下，进行极限加压爆破实验，直到钢瓶爆破；
其中，步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)基于如下模型：
[P内(ΔT，m)-P外(H)]式中：Uout为输出电压，μ为材料泊松比，E为材料的弹性模量；
上式的推导过程如下，
以规格15kg钢瓶为例。壁厚2.5毫米左右，内部压力为0.5MPa～1.2MPa。采用标称电阻350Ω的应变片检测钢瓶应变，按照钢瓶外形和应变片的特征，在钢瓶内部和钢瓶外部的上下部位，都不适合粘贴应变片，选择将应变片贴在钢瓶竖直部位，共8片，分布在前后左右四个位置，沿周向展开的8片应变片按照图1所示方式粘贴，数字是各应变片的编号。
由于钢瓶内部气压特征，1、2、3、4号应变片承受压缩变形，5、6、7、8承受拉伸变形。将8片应变片按照图2方式连接成桥接电路。
假设纵向应变为εx，横向应变为εy，材料泊松比为μ，则
εx＝-μεy
1、2、3、4号应变片主要测试εy，5、6、7、8号应变片主要测试εx。
但是，在钢瓶内压力作用下，环向界面受力，会导致εx、εy反向变化，不再满足泊松比的关系。取一微小单元，三维受力情况如图3所示。Z向是壁厚方向，其变形量很小，因此，忽略Z向受力变形，而X、Y向刚好就是应变片粘贴方位，于是，壁面受力可以近似为平面应力状态，得到广义胡克定律表达式：
体应变θ＝(V’-V)/V＝εx+εy+εz，用应力表达体应变如下式所示：
式中：σm＝(σ1+σ2+σ3)/3是平均应力，E/(3(1-2μ))是体积弹性模量。
再假设5、6、7、8号应变片测试的应变均匀，1、2、3、4号应变片测试的应变也均匀，由εx引起的应变电阻变化值为△Rx＝Kεx，则由εy引起的应变电阻变化值为△Ry＝Kεy。
因而，图3中的U1和U2分别为：
于是，电压输出：
材料的弹性模量E是常数，应力σm与瓶内外压力差成正比：
σm＝K1(P内-P外)
如果输出ΔU经过图5电路进行线性放大，放大倍数为
则输出电压Uout如下：
不同海拔高度对气瓶强度的影响主要是气压和气温差，而气压只影响环境压力，因此，P外＝P外(H)，瓶内压力取决于气温差ΔT和加装量加装量m，P内＝P内(ΔT，m)，因此，上式变为：
[P内(ΔT，m)-P外(H)]
步骤(3)的具体过程为，在加装量为2～15kg范围内，取6个加装量值，在同一加装量情况下，在温度为5～30℃范围内，取6个温度点值，每个温度点保持4h，采集对应温度下的钢瓶内压力；6个加装量值分别为2kg、4kg、6kg、10kg、13kg和15kg；6个温度点值分别为5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃；得到的曲线如图5所示。
由图5中数据可见，充装量对瓶内压力有影响，随着充装量增加，瓶内压力增大。在同一温度下，充装量在10kg以下，瓶内压力随充装量增加线性增加；在充装量大于10kg以上，瓶内压力增加了非线性成分。这是因为随着充装量增加，瓶内剩余气相空间所占比例改变，引起瓶内压力非线性增加。
但温度变化对瓶内压力的影响更加明显。随着环境温度的增加，瓶内压力增加幅度较大。这表明钢瓶对工作环境温度灵敏度非常大。
步骤(4)的具体过程为，在海拔高度为1500～5000m范围内，每升高500m取一个海拔高度；在每个海拔高度下，采用高压氮气给钢瓶加压，注入过程中，每增加2atm，采集一次应变值，直到钢瓶内压力P内达到20atm；得到的曲线如图7所示。由试验测试结果可知，海拔高度对钢瓶体强度有影响。随着海拔增高，钢瓶内外压差增加，钢瓶体应变值增加，钢瓶的承压强度变小。在测试范围内，瓶内外压差和钢瓶的变形呈现线性关系。这是因为试验压力范围内钢瓶材料处于比例阶段范围内变化。
步骤(5)的具体过程为，持续加压过程中，连续采集得到应变值数据，若加压到24.1atm，钢瓶没有爆破，停止加压，结束极限加压爆破实验；采集加压全过程对应的应变值，经换算得到的试验数据结果如图7所示。从图中可以看出，实验压力加到24.1atm，钢瓶没有爆破，但曲线在23.6atm时，偏离了线性变化，说明此时气瓶出现屈服变形。选择安全系数为1.3，则许用压力：[p]＝23.6/1.3≈18atm。如果加装过程初始压力为6.3atm(实测数据)，则因温度升高瓶内许用压升阈值为11.7atm。
以西藏山南地区为例，西藏山南地区最近时段和历史时段的气温统计如表1所示。
表1山南地区最近时段和历史时段的气温统计(单位：℃)
可见，山南地区日温差接近20℃，月温差达到30℃以上，最大值达到37℃。按照30℃作为钢瓶工作环境温差，由图5测试数据结果可知，瓶内压力变化将达到12.36atm，超过了因温度升高的许用压升阈值11.7atm。从图5曲线试验数据查询得到，许用压升阈值11.7atm对应的充装量为13.84kg，因此，为了保障安全，在高海拔地区，钢瓶加装量应该适当减少。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高海拔条件液化石油气钢瓶充装过程承压性能检测方法，其特征在于：包括有如下步骤：
(1)在钢瓶竖直部位处，沿周向间隔粘贴应变片；
(2)将应变片连接成桥接电路；
(3)在同一加装量下，测试不同温度下，钢瓶内的压力值；
(4)测试不同海拔高度下，钢瓶内外压差和钢瓶体结构的应变值；
(5)在海拔高度5000m下，进行极限加压爆破实验，直到钢瓶爆破。
2.根据权利要求1所述的高海拔条件液化石油气钢瓶充装过程承压性能检测方法，其特征在于：步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)基于如下模型：
[P内(△T，m)-P外（H)」；
式中：Uout为输出电压，μ为材料泊松比，E为材料的弹性模量。
3.根据权利要求2所述的高海拔条件液化石油气钢瓶充装过程承压性能检测方法，其特征在于，其特征在于：步骤(1)中，使用8片应变片，分布在钢瓶竖直部位前后左右四个方向。
4.根据权利要求1所述的高海拔条件液化石油气钢瓶充装过程承压性能检测方法，其特征在于：步骤(3)的具体过程为，在加装量为2～15kg范围内，取6个加装量值，在同一加装量情况下，在温度为5～30℃范围内，取6个温度点值，每个温度点保持4h，采集对应温度下的钢瓶内压力。
5.根据权利要求4所述的高海拔条件液化石油气钢瓶充装过程承压性能检测方法，其特征在于：6个加装量值分别为2kg、4kg、6kg、10kg、13kg和15kg；6个温度点值分别为5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃。
6.根据权利要求1所述的高海拔条件液化石油气钢瓶充装过程承压性能检测方法，其特征在于：步骤(4)的具体过程为，在海拔高度为1500～5000m范围内，每升高500m取一个海拔高度；在每个海拔高度下，采用高压氮气给钢瓶加压，注入过程中，每增加2atm，采集一次应变值，直到钢瓶内压力P内达到20atm。
7.根据权利要求1所述的高海拔条件液化石油气钢瓶充装过程承压性能检测方法，其特征在于：步骤(5)的具体过程为，持续加压过程中，连续采集得到应变值数据，若加压到24.1atm，钢瓶没有爆破，停止加压，结束极限加压爆破实验。
8.根据权利要求7所述的高海拔条件液化石油气钢瓶充装过程承压性能检测方法，其特征在于：在海拔5000m海拔下，以30℃作为钢瓶工作环境温差，许用压升阈值11.7atm对应的充装量为13.84kg。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20211015 |