CN113158489B - 一种基于等效载荷的抗爆管道壁厚的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于等效载荷的抗爆管道壁厚的计算方法，该方法首先根据管道内可燃气体类型，以及可能混入的氧化气体种类，考虑最危险情况，即管道内可燃气体与氧化气体的混合比例为化学计量比时，计算管道内混合气体发生爆轰的爆轰压力，以爆轰压力的k倍作为等效静态压力，然后根据公式初步计算管道壁厚，再向上取整得到最终的管道壁厚。本发明的方法充分考虑了管道的服役安装条件以及内部可能出现的不同***场景，可更有针对性地满足管道设计需求，使所设计管道满足抗爆性能的同时具有更合适的壁厚，从而具有更好的经济性，且该方法实施方便、迅速，对人员专业程度要求低。

Description

一种基于等效载荷的抗爆管道壁厚的计算方法

技术领域

本发明涉及管道***预测领域，具体涉及一种基于等效载荷的抗爆管道壁厚的计算方法。

背景技术

在国防、化工、核电、公共安全等领域，某些圆柱壳结构或管道设计时需满足抗爆性能的要求，即内部发生***结构也不会失效，达到其本质安全的设计要求。抗爆容器或管道设计中的一个关键是壁厚的计算与确定，目前主要有两类方法。一类是理论或经验方法，如等效单自由度方法。该类方法的基本思路是计算***载荷的等效静态压力，之后按照常规容器的设计方法计算壁厚，但该类方法主要适用于***物是TNT的情况，对于常见的可燃气体管道，管道内可能发生爆燃、爆轰以及爆燃转爆轰等不同***场景，不同***场景对应的等效静态压力是不同的，而这是目前方法所没有考虑的。第二类是数值模拟类方法，该类方法需对所设计管道进行弹塑性有限元动力学分析，根据分析结果判断结构是否能抵抗相应的***载荷，若不满足，则增加壁厚重复进行分析。该类方法对实施人员的专业水平要求较高，且数值分析结果受本构模型选取、网格尺寸等影响，在具体实施前往往需要对模型进行验证，实施周期长，难度较高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于等效载荷的抗爆管道壁厚的计算方法，该方法更有针对性地满足管道设计需求，且计算快捷方便。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种基于等效载荷的抗爆管道壁厚的计算方法，该方法具体包括如下步骤：

(1)根据管道内可燃气体类型，以及可能混入的氧化气体种类，考虑最危险情况，即管道内可燃气体与氧化气体的混合比例为化学计量比时，计算管道内混合气体发生爆轰的爆轰压力p_CJ；

(2)取爆轰压力p_CJ的k倍作为等效静态压力p_eq，即

p_eq＝k·p_CJ

其中，k在不同的场景下取值不同；

(3)根据下式初步计算管道壁厚δ

(4)将初步计算的管道壁厚δ叠加上管道腐蚀余量，并根据管道设计国标向上取值，得到最终的管道壁厚δ_n。

进一步地，所述爆轰压力p_CJ通过以下两种方法得到：

(1)通过如下的理论公式计算得到

式中，Q为管道内单位质量混合气体发生化学反应所释放的能量，根据反应气体的燃烧热计算；γ为爆轰产物的绝热指数，可根据爆轰产物气体种类及体积百分数计算得到，γ取值范围为1.1～1.4；

为管道内初始混合气体的平均摩尔质量；R为理想气体常数；T为管道内混合气体温度，可查询管道运行工艺参数得到，或取环境温度。

(2)采用程序CEARUN计算。

进一步地，所述k取值如下：

当所设计管道两端连接其他管道或开口，且仅承受气体稳态爆轰载荷时，k＝0.70；

当所设计管道两端连接其他管道或开口，且可能发生气体爆燃转爆轰时，k＝5.25；

当所设计管道一端封闭，且仅承受稳态气体爆轰载荷，k＝1.68；

当所设计管道一端封闭，且可能发生气体爆燃转爆轰时，k＝12.6。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明充分考虑了管道的服役安装条件以及内部可能出现的不同***场景，对应给出了不同的等效静态压力计算缩放系数，可更有针对性地满足管道设计需求，使所设计管道满足抗爆性能的同时具有更合适的壁厚，从而具有更好的经济性；

(2)本发明中壁厚设计主要依据公式进行计算，且步骤清晰、参数明确，相比数值模拟类方法实施方便、迅速，对人员专业程度要求低。

附图说明

图1为本发明的基于等效载荷的抗爆管道壁厚的计算方法的流程图；

图2为实施例中采用程序CEARUN计算爆轰压力的示意图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的基于等效载荷的抗爆管道壁厚的计算方法，具体包括如下四部分。

1.明确管道设计要求与基本参数

根据管道设计要求，明确管道内气体类型，获取管道设计内径D_i，获取管道运行压力p，根据管道材质查询该材料的许用应力[σ]和屈服强度σ_y，通常[σ]＝σ_y/n，n为安全系数。

2.计算管道内气体爆轰压力

根据管道内可燃气体类型，以及可能混入的氧化气体种类(如空气、氧气)，考虑最危险情况，即管道内可燃气体与氧化气体的混合比例为化学计量比，计算管道内混合气体发生爆轰的爆轰压力p_CJ，具体可采用以下两种方法计算：

①理论公式法

采用下式计算管道内混合气体的爆轰压力p_CJ：

式中，Q为管道内单位质量混合气体发生化学反应所释放的能量，可根据反应气体的燃烧热计算；γ为爆轰产物(气体)的绝热指数，可根据爆轰产物气体种类及体积百分数计算得到，常见气体的取值范围为：1.1-1.4；

为管道内初始混合气体的平均摩尔质量；R为理想气体常数；T为管道内混合气体温度，可查询管道运行工艺参数得到，或取环境温度。

②采用程序CEARUN计算

程序CEARUN可提供更为精确的气体爆轰压力计算结果，且操作简便，具有网页版用户操作界面，得到领域研究人员较广泛的使用，具体网址为：https://cearun.grc.nasa.gov/index.html。根据程序说明输入混合气体种类、体积百分数，以及气体初始压力、温度等参数，即可计算获得爆轰压力p_CJ。

3.计算管道设计等效静态压力

定义等效静态压力为：管道在该压力作用下的塑性变形与相应气体***场景导致的管道塑性变形一致，大小等于k倍的气体爆轰压力，即：

p_eq＝k·p_CJ

k值按照以下原则确定：

①所设计管道两端通过法兰连接其他管道或开口，且仅承受气体稳态爆轰载荷：

该场景下，爆轰波不会在所设计管道内发生轴向反射，k取值0.70。

②所设计管道两端通过法兰连接其他管道或开口，且可能发生气体爆燃转爆轰(DDT，Deflagration to Detonation Transition)：

该场景下，管道内最大动压由DDT产生，且可能叠加初始爆燃波压力，k取值5.25。

③所设计管道一端连接有法兰盲板或封闭，且仅承受稳态气体爆轰载荷：

该场景下，爆轰波在管道内轴向传播中可能发生反射，形成更大的动压力，此时k取值1.68。

④所设计管道一端连接有法兰盲板或封闭，且可能发生气体爆燃转爆轰：

考虑该场景下最危险情形，即管道内气体DDT与爆轰波轴向反射同时发生，并叠加了初始爆燃波压力，此时k取值12.6。

4.计算并确定管道名义壁厚

根据等效静态压力大小，选择合适的压力容器设计准则(如弹性失效准则、塑性失效准则、***失效准则等)，计算管道壁厚δ：

①若p_eq＜0.4[σ]，则一般根据弹性失效设计准则和中径公式计算管道壁厚δ：

②若p_eq≥0.4[σ]，则可根据塑性失效准则和拉美公式计算管道壁厚δ：

根据计算壁厚δ，叠加管道腐蚀余量并向上圆整确定管道最终名义厚度δ_n。

下面给出一个具体的实施例，进一步说明本发明的方法的计算过程和结果。

某一管道内径为40mm，材质为6061-T6铝合金，内部气体为按化学计量比混合的乙烯和氧气，气体初始压力为180kPa，环境温度为300K。该管道安装条件为一端通过法兰连接其他管道，另一端通过聚酯膜片密封。设计要求其能承受内部乙烯、氧气混合气体的稳态爆轰载荷，以便使用该管道开展相关实验研究。下面根据本发明对该抗爆管道壁厚进行设计：

步骤1：明确管道设计要求与基本参数

根据管道设计要求，管道内气体类型为乙烯(C₂H₄)和氧气(O₂)，管道设计内径D_i＝40mm，管道运行压力p＝180kPa，查询6061-T6材料力学性能参数，其屈服强度σ_y＝240MPa，取安全系数1.5，其许用应力[σ]＝σ_y/1.5＝160MPa。

步骤2：计算管道内气体爆轰压力

该管道内部本身为按化学计量比混合的乙烯(C₂H₄)和氧气(O₂)，即为最危险情况，气体温度为环境温度300K，初始压力为180kPa，采用以下两种方法计算气体爆轰压力：

①理论公式法

乙烯与氧气的化学反应方程式为：

C₂H₄+3O₂＝2CO₂+2H₂O

查得该可燃混合气体反应释放的能量为987.14kJ/kg，爆轰产物(反应生成物)的绝热指数γ＝1.14。初始气体的平均摩尔质量

则气体爆轰压力根据公式计算为：

②采用程序CEARUN计算

打开网页https://cearun.grc.nasa.gov/index.html，选择问题类型为“det”(求解气体爆轰压力)，输入气体温度为300K，初始压力为180kPa，选择燃烧物为乙烯C₂H₄，氧化物为氧气O₂，设置两者的摩尔混合比为1：3，点击计算，程序求解的爆轰压力为6.10MPa，如图2所示。

步骤3：计算管道设计等效静态压力

该管道安装条件为一端通过法兰连接其他管道，另一端通过聚酯膜片密封。爆轰波作用下聚酯膜片会迅速破裂，不会导致爆轰波反射，即管道安装条件按照两端开口处理，设计要求其仅需承受气体稳态爆轰载荷，根据本发明中的规定，k取值0.70，选取CEARUN程序计算的气体爆轰压力(6.10MPa)为基准，则该管道的设计等效静态压力计算为：

p_eq＝k·p_CJ＝0.70×6.10＝4.27MPa

步骤4：计算并确定管道名义壁厚

该管道的设计等效静态压力p_eq小于0.4倍材料许用应力，则按照弹性失效准则计算管道壁厚为：

查询《GB/T 4436-2012铝及铝合金管材外形尺寸及允许偏差》国家标准，考虑介质腐蚀性极微，腐蚀余量取0，向上取值至0.75mm，则该管道的名义厚度最终设计为0.75mm。

对该管道开展气体爆轰加载实验，结果表明该管道未发生塑性变形，满足相应设计要求。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对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例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。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于等效载荷的抗爆管道壁厚的计算方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：

(1)根据管道内可燃气体类型，以及可能混入的氧化气体种类，考虑最危险情况，即管道内可燃气体与氧化气体的混合比例为化学计量比时，计算管道内混合气体发生爆轰的爆轰压力p_CJ；

(2)取爆轰压力p_CJ的k倍作为等效静态压力p_eq，即

p_eq＝k·p_CJ

其中，k在不同的场景下取值不同；

(3)根据下式初步计算管道壁厚δ

其中，D_i为管道设计内径；[σ]为管道材料的许用应力；σ_y为管道材料的屈服强度；

(4)将初步计算的管道壁厚δ叠加上管道腐蚀余量，并根据管道设计国标向上取值，得到最终的管道壁厚δ_n；

所述爆轰压力p_CJ通过以下两种方法得到：

(1)通过如下的理论公式计算得到

式中，Q为管道内单位质量混合气体发生化学反应所释放的能量，根据反应气体的燃烧热计算；γ为爆轰产物的绝热指数，可根据爆轰产物气体种类及体积百分数计算得到，γ取值范围为1.1～1.4；

为管道内初始混合气体的平均摩尔质量；R为理想气体常数；T为管道内混合气体温度，可查询管道运行工艺参数得到，或取环境温度；p为管道运行压力；

(2)采用程序CEARUN计算；

所述k取值如下：

当所设计管道两端连接其他管道或开口，且仅承受气体稳态爆轰载荷时，k＝0.70；

当所设计管道两端连接其他管道或开口，且可能发生气体爆燃转爆轰时，k＝5.25；

当所设计管道一端封闭，且仅承受稳态气体爆轰载荷，k＝1.68；

当所设计管道一端封闭，且可能发生气体爆燃转爆轰时，k＝12.6。

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