移動(dòng)式低溫lng貯罐應(yīng)力分析

移動(dòng)式低溫lng貯罐應(yīng)力分析

1低溫lng貯罐天然氣大規(guī)模供應(yīng)主要有兩種方式：管道供應(yīng)和液化天然氣（lkg）運(yùn)輸。其中LNG輸運(yùn)成本僅為管道輸送的1/6-1/7,并可減少由于氣源不足鋪設(shè)管道而造成的風(fēng)險(xiǎn),且液化前的凈化處理使其成為潔凈燃料。而移動(dòng)式槽車(chē)是陸上LNG運(yùn)輸?shù)闹匾ぞ?它的核心單元就是低溫LNG貯罐。目前有關(guān)移動(dòng)式LNG貯罐的研究很少,且往往專(zhuān)注于靜態(tài)工況。但實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中,由于存在啟動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎及受路況的影響,在役工作中存在加速度的交變變化,給支承處的罐體強(qiáng)度帶來(lái)了較大的影響。低溫LNG貯罐往往采用內(nèi)外雙層真空絕熱結(jié)構(gòu),其幾何形狀的特殊性與邊界條件的復(fù)雜性,使理論計(jì)算貯罐罐體關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布具有一定的難度,而有限元的發(fā)展為解決此類(lèi)問(wèn)題提供了有利的工具。本文將借助ANSYS平臺(tái),對(duì)CDW-51/0.7型移動(dòng)式低溫LNG貯罐進(jìn)行應(yīng)力分析,以期得到幾種常見(jiàn)工況下槽車(chē)內(nèi)、外容器前、后支承局部的應(yīng)力分布狀況,從而為低溫液化天然氣貯罐的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。2設(shè)置鞍座段,兩組間接枝結(jié)合目前最為常用的移動(dòng)式LNG貯罐展開(kāi)研究,該貯罐的外容器與基礎(chǔ)共有3處鞍座支承(其中一個(gè)為固定支承,其余為滑動(dòng)支承,且雙鞍座有2處),內(nèi)、外容器間為真空絕熱層,兩者借助兩雙鞍座截面處的8根環(huán)氧玻璃棒支承。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要的設(shè)計(jì)參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表1。3式中容蓄箱的有限計(jì)算3.1模型構(gòu)建單元對(duì)面臨沖擊和疲勞風(fēng)險(xiǎn)的移動(dòng)式LNG貯罐來(lái)說(shuō),其內(nèi)外容器靠近前、后支承的局部是危險(xiǎn)區(qū)域,應(yīng)予重點(diǎn)分析,故結(jié)合LNG貯罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用了整體建模、整體分析的方法。同時(shí)考慮到設(shè)備各工藝接管均距離前后支承較遠(yuǎn),在邊緣效應(yīng)區(qū)域以外,因此為了減少計(jì)算量,建模過(guò)程忽略各工藝接管,僅考慮內(nèi)容器、外容器、支承部件、加強(qiáng)部件等,這對(duì)全局應(yīng)力結(jié)果的影響不大。此外考慮到液化天然氣貯罐結(jié)構(gòu)與承載的對(duì)稱(chēng)性,在有限元模型構(gòu)建中,以通過(guò)筒體軸線(xiàn)的豎直平面進(jìn)行剖分,并取一半進(jìn)行計(jì)算,其整體三維結(jié)構(gòu)模型的外表面見(jiàn)圖1,單鞍座、雙鞍座局部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。在兼顧精度和計(jì)算量的基礎(chǔ)上選用了solid45單元。solid45單元是一種三維六面體單元,可用于建立各向同性固體力學(xué)問(wèn)題的模型,它共有8個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有3個(gè)平移自由度UX、UY、UZ。網(wǎng)格劃分過(guò)程充分考慮了整體建模計(jì)算的復(fù)雜性,在不影響計(jì)算精度的前提下,對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)部位(主要是結(jié)構(gòu)變化處)、不同厚度的連接處等重要位置,網(wǎng)格劃分得細(xì)而密。整體及局部的網(wǎng)格劃分具體由圖3給出,單元總數(shù)為106890,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為120255。其中前后支承部位的筒體及筒體與封頭連接部位都進(jìn)行了細(xì)分加密,在大小單元的過(guò)渡區(qū)域充分注意了網(wǎng)格質(zhì)量,單元邊長(zhǎng)比不超過(guò)1∶4。3.2載荷和邊界條件(1)結(jié)構(gòu)剖分設(shè)置三維實(shí)體模型采用笛卡爾坐標(biāo)系,原點(diǎn)位于設(shè)備中部,以貯罐水平軸線(xiàn)指向后支座的方向?yàn)閆軸正向,豎直向上方向?yàn)閅軸正向,垂直向里為X軸正向,滿(mǎn)足右手法則的規(guī)定。YZ坐標(biāo)平面,即進(jìn)行結(jié)構(gòu)剖分的豎直對(duì)稱(chēng)面,施加對(duì)稱(chēng)約束,即ΔX=0;后雙鞍座為固定端,固定在剛性較好的車(chē)架上,其接觸面上ΔX=0,ΔY=0,ΔZ=0;前雙鞍座和中間單鞍座為滑動(dòng)端,在Z向即水平方向上可適當(dāng)滑動(dòng),因此與車(chē)架接觸面上,ΔX=0,ΔY=0。(2)加速度交變分析液化天然氣貯罐實(shí)際工作中,由于裝載量不同,行駛工況不同,所產(chǎn)生的應(yīng)力也不同?？紤]到常見(jiàn)情況及從危險(xiǎn)角度出發(fā),以充裝系數(shù)0.9計(jì),各計(jì)算工況如下。工況1:勻速行駛時(shí),內(nèi)容器內(nèi)壓0.75MPa,外容器外壓0.1MPa,水平(即Z向)加速度0m/s2,設(shè)備及介質(zhì)重量。工況2:遭遇顛簸時(shí),內(nèi)容器內(nèi)壓0.75MPa,外容器外壓0.1MPa,水平(即Z向)加速度0m/s2,豎直(即Y向)加速度取2.0g。工況3:緊急制動(dòng)時(shí),內(nèi)容器內(nèi)壓0.75MPa,外容器外壓0.1MPa,考慮最?lèi)毫忧闆r即水平向后加速度為2.0g,設(shè)備及介質(zhì)重量。工況4:當(dāng)車(chē)輛急速拐彎或快速躲閃時(shí),內(nèi)容器內(nèi)壓0.75MPa,外容器外壓0.1MPa,橫向(即X向)離心加速度取-1.0g(轉(zhuǎn)彎半徑60m,車(chē)速87km/h)。工況5:考慮到槽車(chē)在運(yùn)輸過(guò)程中要經(jīng)歷多次啟動(dòng)、制動(dòng)操作,存在水平加速度的交變,面臨疲勞失效風(fēng)險(xiǎn),這里取水平加速度交變區(qū)間為-0.5g-1.0g進(jìn)行疲勞分析。由于內(nèi)容器所盛放介質(zhì)產(chǎn)生的液柱靜壓(最大值為0.01MPa)相對(duì)于內(nèi)壓0.75MPa很小,可忽略不計(jì)。但考慮到設(shè)備受交變加速度的作用,所產(chǎn)生不平衡的慣性力與設(shè)備總質(zhì)量相關(guān),因此將液體質(zhì)量折算到內(nèi)容器上,通過(guò)調(diào)整材質(zhì)密度實(shí)現(xiàn)。4有限面積計(jì)算和評(píng)估4.1壓力和加速度下lng貯罐應(yīng)力和疲勞強(qiáng)度工況1:LNG貯罐在工況1即靜態(tài)操作下的整體和局部的應(yīng)力強(qiáng)度分布如圖4所示。從圖中可以看出,內(nèi)容器與前、后環(huán)氧玻璃棒支承接觸邊緣的應(yīng)力較大,接觸中心應(yīng)力不大,其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在與前部滑動(dòng)支承邊緣相接觸的內(nèi)容器的內(nèi)壁上,達(dá)到199.4MPa,這與前部滑動(dòng)端支承對(duì)應(yīng)的內(nèi)容器上的補(bǔ)強(qiáng)圈較后部固定端少且薄有關(guān)。同時(shí)結(jié)果表明,不論是內(nèi)容器還是外容器,增設(shè)加強(qiáng)筋部位的應(yīng)力都有明顯降低,這說(shuō)明加強(qiáng)圈對(duì)提高內(nèi)、外容器的強(qiáng)度大有裨益。工況2:圖5給出了承受向下2倍重力時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度云圖。從圖中可以看出,相較于承受1倍重力時(shí)靜態(tài)工況,此時(shí)最大應(yīng)力仍出現(xiàn)在同樣位置,只是數(shù)值提高了約62.5%,達(dá)到323.5MPa,這說(shuō)明豎直顛簸對(duì)內(nèi)容器的應(yīng)力影響很大。工況3:承受兩倍水平向后加速度時(shí),LNG貯罐局部的應(yīng)力云圖如圖6所示。從圖中不難看出,設(shè)備總體最大應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到270.6MPa,且滑動(dòng)端內(nèi)容器內(nèi)壁靠近玻璃棒支承邊緣的部位處于高應(yīng)力區(qū),而外容器的最大應(yīng)力強(qiáng)度僅為139.1MPa。工況4:圖7給出了左轉(zhuǎn)加速度1.0g時(shí)LNG貯罐的應(yīng)力強(qiáng)度云圖,其中最大應(yīng)力為210.9MPa,出現(xiàn)在內(nèi)容器內(nèi)壁上靠近滑動(dòng)端支承的邊緣,外容器最大應(yīng)力為45.6MPa。由以上分析知,轉(zhuǎn)彎對(duì)內(nèi)容器應(yīng)力影響更大,且LNG貯罐局部的應(yīng)力強(qiáng)度水平相對(duì)較高,因此行駛過(guò)程應(yīng)盡量減速轉(zhuǎn)彎。工況5:圖8給出了交變加速度為-0.5g-1.0g時(shí)LNG貯罐的疲勞強(qiáng)度。從圖中可以看出,與其他工況中最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)容器不同,此時(shí)外容器的疲勞強(qiáng)度要大于內(nèi)容器,且分別出現(xiàn)在內(nèi)、外容器的外壁上靠近固定端支承邊緣的部位。內(nèi)、外容器的最大交變應(yīng)力強(qiáng)度分別為47.7MPa和110.0MPa。4.2外土罐應(yīng)力分析當(dāng)水平加速度在-0.5g-1.0g區(qū)間交變時(shí),低溫LNG貯罐的交變應(yīng)力強(qiáng)度分布如圖8所示。其中0Cr18Ni9材質(zhì)內(nèi)容器的最大交變應(yīng)力強(qiáng)度出現(xiàn)在其外壁上靠近固定端加強(qiáng)圈邊緣偏下的位置,大小為47.7MPa,而16MnR材質(zhì)外容器的最大交變應(yīng)力強(qiáng)度則對(duì)應(yīng)出現(xiàn)在其外壁上靠近固定端外加強(qiáng)圈邊緣偏下的位置,數(shù)值為110.0MPa。依據(jù)JB4732-1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的基本思想,選擇內(nèi)外容器上的最大交變應(yīng)力強(qiáng)度點(diǎn)進(jìn)行疲勞分析?？紤]到全生命周期內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)次數(shù)很少,對(duì)整體用度系數(shù)的影響相對(duì)較小,因此近似忽略不計(jì),僅就正常工作循環(huán)下的累積損傷進(jìn)行評(píng)定。(1)內(nèi)容器局部累積損傷用度系數(shù)應(yīng)力強(qiáng)度幅值Salt1=0.5×47.7=23.85MPa修正后S′alt1=Salt1EEt=23.85×200210=22.7S′alt1=Salt1EEt=23.85×200210=22.7MPaJB4732-1995附錄C中的圖C-2和C-3所提供的S-N曲線(xiàn)沒(méi)有與S′alt1對(duì)應(yīng)的N1,這意味著N1遠(yuǎn)大于1011,進(jìn)而實(shí)際交變次數(shù)n1=2.16×105遠(yuǎn)小于當(dāng)前承載情況下的極限交變次數(shù)N1,于是內(nèi)容器局部累積損傷用度系數(shù)U=n1/N1將遠(yuǎn)小于1,這說(shuō)明疲勞對(duì)低溫液化天然氣貯罐內(nèi)容器的影響很小。(2)外容器抗混疊損傷性能應(yīng)力強(qiáng)度幅值Salt1=0.5×110.0=55.0MPa修正后S′alt1=Salt1EEt=55.0×210205=56.34S′alt1=Salt1EEt=55.0×210205=56.34MPaS′alt1對(duì)應(yīng)于JB4732-1995附錄C的圖C-1中S-N曲線(xiàn)N1=106n1=2.16×105<N1=106累積損傷用度系數(shù)為U=n1N1=2.16×105106=0.216<1.0U=n1Ν1=2.16×105106=0.216<1.0當(dāng)前外容器支承局部累積損傷用度系數(shù)為0.216,較內(nèi)容器用度系數(shù)大,但與1.0仍有一定差距,這說(shuō)明外容器的疲勞風(fēng)險(xiǎn)要大于內(nèi)容器,但現(xiàn)有設(shè)計(jì)使其具有足夠的疲勞強(qiáng)度儲(chǔ)備,無(wú)疲勞破壞危險(xiǎn)。5罐體及外容器的應(yīng)力強(qiáng)度分布(1)基于有限元數(shù)值計(jì)算方法的CDW-51/0.7型低溫LNG貯罐的強(qiáng)度分析表明,采用鞍座與環(huán)氧玻璃棒進(jìn)行內(nèi)外容器間支承及與基礎(chǔ)連接的高真空絕熱結(jié)構(gòu),基本能適應(yīng)不同運(yùn)輸工況的要求,結(jié)構(gòu)較為合理可靠。(2)多種運(yùn)輸工況下,移動(dòng)式LNG貯罐內(nèi)容器內(nèi)壁上靠近滑動(dòng)端支承邊緣的局部均處于高應(yīng)力強(qiáng)度區(qū),尤其是遭遇羈絆顛簸時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度更達(dá)到323.5MPa,較為危險(xiǎn)。因此,從安全角度考慮,應(yīng)在與鞍座接觸的外容器及與環(huán)氧玻璃棒接觸的內(nèi)容器的外壁上鋪設(shè)足夠厚的墊板,并在它們內(nèi)壁上的對(duì)應(yīng)位置布置具有合適厚度與間距的加強(qiáng)圈,這對(duì)降低局部應(yīng)力強(qiáng)度大有裨益。(3)移動(dòng)式低溫LNG貯罐的應(yīng)力強(qiáng)度分布表明,在支承及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)局部不同程度存在著應(yīng)力強(qiáng)度分布的突變,這意味著內(nèi)外容器罐體的膜應(yīng)力分布