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长管拖车气瓶口强度数值研究

李伟  
【摘要】:长管拖车是一种移动式压力容器,在我国,长管拖车被广泛应用于以压缩天然气为主的工业气体的异地输送。长管拖车是由牵引车头、半挂车架、大容积钢制无缝气瓶组、安全附件以及其他相关零部件组装而成的特种车辆,大容积钢制无缝气瓶通过两端瓶口外螺纹以螺纹连接方式固定于拖车框架内。对在役长管拖车开展定期检验的过程中,发现气瓶瓶口外螺纹磨损现象非常普遍,形成了不容忽视的安全隐患。而对于磨损严重的气瓶,往往采用重新机加工瓶口外螺纹的方法进行修复,但是,壁厚的整体减薄会削弱瓶口的强度。因此,研究长管拖车气瓶瓶口外螺纹的磨损原因以及瓶口强度的削弱具有十分重要的工程意义。 本文在国家质检总局科技计划项目“长管拖车气瓶瓶口强度削弱分析与评价方法研究”(项目编号:2013QK021)的资助下,对长管拖车在我国的应用现状进行了调研统计,并针对气瓶瓶口螺纹磨损与强度削弱问题进行了数值研究。本文的主要研究工作和结论如下: (1)我国长管拖车应用现状的调研统计。调研统计了国内在役长管拖车的基本信息,了解了国内长管拖车使用现状的基本特点,主要体现在:长管拖车年度投入使用量高速增长,并且广泛应用于国内三十个省级行政区;在役长管拖车气瓶呈现出大型化的应用趋势,传统小直径气瓶几乎不再投入市场;气瓶瓶口外螺纹的磨损为在役气瓶的典型缺陷。针对长管拖车气瓶瓶口外螺纹磨损严重的问题,基于统计数据,进行了磨损的初步分析,证实了长管拖车使用地域、外螺纹结构、瓶体布置位置等因素都会影响长管拖车气瓶外螺纹磨损情况。 (2)长管拖车气瓶外螺纹结构应力分布的数值研究。建立了包含气瓶、法兰与支撑钢板的二维轴对称模型,进行结构的弹塑性分析。数值分析表明:内压载荷与惯性载荷的共同作用下,气瓶外表面第一圈啮合螺纹根部应力强度较大且高于材料屈服强度,这可能造成局部螺纹结构的应变强化并使得材料变脆。在内压的循环与惯性载荷的往复作用下将产生交变的接触应力,其长期作用下可导致螺纹摩擦表面或表面层内形成裂纹并扩展,使材料表层剥落,最终表现为螺纹的磨损。因此,本文认为表面接触疲劳磨损是气瓶外螺纹磨损的重要原因,而啮合螺纹承载应力的高度集中性则决定了螺纹磨损沿着气瓶轴线方向的递进分布特点。 (3)长管拖车气瓶瓶口强度削弱数值研究。在保守忽略螺牙实体的基础上,建立了气瓶与支撑结构的有限元模型以及重新加工外螺纹后的气瓶有限元模型,对数值模型在内压、惯性力以及自重载荷作用下进行了数值分析,研究表明:瓶口外侧开设销孔与重新加工瓶口外螺纹会削弱气瓶瓶口的强度。以瓶口应力不超过瓶体最大应力为基准,则本文计算所用规格的长管拖车气瓶瓶口外螺纹所允许的重复加工次数不宜超过三次。


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