徐志岳，惠虎

（華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)安全科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200237）

引 言

隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的重視，較清潔能源天然氣近幾年在我國(guó)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，其工程建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越多［1］，同時(shí)液化天然氣儲(chǔ)罐的需求量也在逐年增加［2］。液化天然氣儲(chǔ)罐一般由內(nèi)容器和外殼組成［3］，內(nèi)容器與外殼之間通過(guò)拉桿、不銹鋼薄片、鋼帶等相互支撐［4］；它們之間采用真空粉末絕熱或高真空多層絕熱［5－7］。內(nèi)容器和外殼之間有頂部進(jìn)液管、底部進(jìn)液管、出液管、氣相管、液位計(jì)氣相管、液位計(jì)液相管、溢流管道等工藝管道，這些管道在常溫下安裝，在工作狀況下承受內(nèi)壓、自身重力及溫差載荷。為了避免產(chǎn)生過(guò)大的溫度應(yīng)力，支撐結(jié)構(gòu)及工藝管道一般具有一定的熱變形補(bǔ)償能力［8］。對(duì)其處理不當(dāng)時(shí)，不僅會(huì)在內(nèi)容器和外殼上造成較大的溫差應(yīng)力，還會(huì)波及到它們之間的接管，尤其當(dāng)接管自身熱變形補(bǔ)償能力較差時(shí)，會(huì)在接管根部產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞［9］。為此，通過(guò)對(duì)液化天然氣儲(chǔ)罐的低溫管道進(jìn)行應(yīng)力分析，可有效改進(jìn)其結(jié)構(gòu)，降低溫度應(yīng)力的影響，保證結(jié)構(gòu)安全。分析中采用了ANSYS軟件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析［10］，分析主要考慮了頂部進(jìn)液管在承受內(nèi)壓、自身重力及溫差應(yīng)力作用下的變形和應(yīng)力分布情況，并進(jìn)行了管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，評(píng)價(jià)了其安全性。

1 低溫儲(chǔ)罐及頂部進(jìn)液管的主要參數(shù)

本文分析的低溫儲(chǔ)罐為立式容器，其內(nèi)容器及外殼的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 儲(chǔ)罐的技術(shù)參數(shù)Table1 Technical parameters of tank

頂部進(jìn)液管［11］的主要作用是儲(chǔ)罐在首次使用或很久未用再用時(shí)讓液體均勻地噴淋到內(nèi)容器里，因LNG是低溫液體，LNG不對(duì)內(nèi)容器噴淋預(yù)冷就直接充裝對(duì)罐體材料可能會(huì)有損傷［12］。一般來(lái)說(shuō)，罐體做完預(yù)冷且罐體內(nèi)部有一定的液體高度時(shí)，就可以從下部的進(jìn)出液管進(jìn)液了。該管道穿過(guò)外殼 （通過(guò)一碗狀支撐焊接在外殼上，實(shí)現(xiàn)密封），通過(guò)夾層連接到內(nèi)容器頂部的接管。其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示，設(shè)計(jì)材料為S30408，彎曲半徑均為114mm。

圖1 優(yōu)化設(shè)計(jì)前頂部進(jìn)液管的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural picture of top inlet pipe before optimization design

2 頂部進(jìn)液管道的有限元分析

2.1 有限元軟件

本文采用了大型商用有限元軟件ANSYS軟件進(jìn)行了管系的應(yīng)力及變形分析。

對(duì)于管路問(wèn)題［13］，ANSYS軟件提供了一組特殊的命令，使用戶按規(guī)范的管路輸入數(shù)據(jù)建立管路系統(tǒng)模型，而不必按照標(biāo)準(zhǔn)的ANSYS直接生成方法進(jìn)行建模操作。當(dāng)輸入管路命令時(shí)［14］，ANSYS程序內(nèi)部將管路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直接生成模型的數(shù)據(jù)，并將轉(zhuǎn)換的信息存到數(shù)據(jù)庫(kù)里，方便了工程應(yīng)用。

2.2 有限元模型

由于頂部進(jìn)液管與內(nèi)容器及外容器均焊接在一起，因此，其在內(nèi)、外容器間的部分也是受拘束最大的位置，是重點(diǎn)考察部位。根據(jù)相應(yīng)的圖紙采用PIPE16，PIPE18管單元建立了管道系統(tǒng)的有限元模型如圖2所示，整個(gè)模型共劃分了13個(gè)單元。

PIPE16［15］是一種單軸單元，具有拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲性能。該單元在兩個(gè)結(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)x，y，z方向的平移和繞結(jié)點(diǎn)x，y，z軸的旋轉(zhuǎn)。該單元基于三維梁?jiǎn)卧?（BEAM4），包含了根據(jù)對(duì)稱(chēng)性和標(biāo)準(zhǔn)管幾何尺寸進(jìn)行的簡(jiǎn)化。PIPE18為一種曲管單元。

2.3 材料參數(shù)

S30408［16］材 料 在 －196℃ 時(shí) 的 彈 性 模 量 為2.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.93×10－6kg·mm－3，線膨脹系數(shù)為14.67×10－6℃－1。在ANSYS前處理過(guò)程中將以上材料參數(shù)輸入。

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)前頂部進(jìn)液管的有限元模型Fig.2 Finite element model of top inlet pipe before optimization design

2.4 載荷及邊界條件的施加

對(duì)管道系統(tǒng)的邊界條件作了如下處理：管系中焊接在內(nèi)、外容器封頭上的A、B兩點(diǎn)，由于其固定在設(shè)備上，因此可將其全部自由度約束為0。

在工作載荷下，管道承受設(shè)計(jì)壓力1.44MPa的內(nèi)壓和夾套間－0.1MPa的設(shè)計(jì)壓力，以及設(shè)計(jì)溫度為－196℃的溫度載荷，此外還要承受自身重力，整個(gè)管道系統(tǒng)的加載情況如下：對(duì)所有管道單元施加1.54MPa的內(nèi)壓以及－196℃的溫度載荷，并對(duì)整個(gè)管道系統(tǒng)施加沿豎直方向 （y方向）的重力加速度g＝－9.8m·s－2。

2.5 應(yīng)力及變形分布結(jié)果

分析得到頂部進(jìn)液管的水平位移 （以遠(yuǎn)離內(nèi)容器為正）情況如圖3所示?？梢钥闯?，在工作時(shí)，由于充入深冷液體管道遇冷，會(huì)產(chǎn)生形變，水平方向的最小位移為－22.99mm，最大為0.69mm。圖4給出了頂部進(jìn)液管豎直方向 （以向上為正）的位移，其豎直方向上的最大變形達(dá)到了－33.05mm。

圖5為頂部進(jìn)液管的最大主應(yīng)力分布圖，其最大應(yīng)力位于內(nèi)容器頂部與進(jìn)液管焊接部位附近，達(dá)到了377MPa，主要是由于管道的熱變形補(bǔ)償能力不足引起的?；诖耍ㄗh考慮增加頂部進(jìn)液管的柔性。圖6對(duì)最大應(yīng)力處進(jìn)行了局部放大處理。

3 優(yōu)化后頂部進(jìn)液管道的有限元分析

圖3 頂部進(jìn)液管的水平位移 （沿容器徑向方向）分布Fig.3 Horizontal displacement for top inlet pipe（along radial direction of vessel）distribution

圖4 頂部進(jìn)液管的豎直方向位移（沿容器軸向方向）分布Fig.4 Vertical displacement for top inlet pipe（along axial direction of vessel）distribution

圖5 頂部進(jìn)液管的最大主應(yīng)力分布Fig.5 Maximum principal stress distribution of top inlet pipe

頂部進(jìn)液管的最高工作壓力為1.2MPa，工作溫度為－162℃，可見(jiàn)，該管道受熱應(yīng)力的影響較大。原來(lái)的頂部進(jìn)液管由于彎頭處的彎曲半徑過(guò)小，導(dǎo)致其受溫度應(yīng)力的補(bǔ)償能力較弱，產(chǎn)生了過(guò)大的局部約束應(yīng)力［17］。因此，應(yīng)該通過(guò)增加管道的曲率半徑來(lái)進(jìn)行管道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［18］，提高熱變形補(bǔ)償能力，降低管道所受到的最大主應(yīng)力，保證管道的安全性?；诖耍玫絻?yōu)化后頂部進(jìn)液管的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖7所示。

圖6 頂部進(jìn)液管的最大主應(yīng)力局部放大圖Fig.6 Partial enlarged drawing of maximum principal stress distribution for top inlet pipe

圖7 優(yōu)化后頂部進(jìn)液管道的結(jié)構(gòu)Fig.7 Structural picture of top inlet pipe after optimization design

采用與原管道相同的方法對(duì)優(yōu)化后的頂部進(jìn)液管進(jìn)行有限元分析，圖8為優(yōu)化后的頂部進(jìn)液管的有限元模型。

分析得到優(yōu)化后的頂部進(jìn)液管道水平位移 （以遠(yuǎn)離內(nèi)容器為正位移）分布情況如圖9所示，可以得出，在低溫下，由于充入深冷液體管道遇冷，會(huì)發(fā)生形變，其水平方向的最小位移為－1.47mm，最大為29.40mm。圖10給出了優(yōu)化后的頂部進(jìn)液管道豎直方向 （以向上為正）的位移，其豎直方向上最大達(dá)到19.97mm，最小為－14.41mm。

圖8 優(yōu)化后的頂部進(jìn)液管的有限元模型Fig.8 Finite element model of top inlet pipe after optimization design

圖9 優(yōu)化后頂部進(jìn)液管水平位移 （沿容器徑向）分布Fig.9 Horizontal displacement for top inlet pipe（along radial direction of vessel）distribution after optimization design

圖11給出了優(yōu)化后頂部進(jìn)液管的最大主應(yīng)力分布圖，圖12對(duì)最大主應(yīng)力處進(jìn)行了局部放大處理。最大應(yīng)力位于繞內(nèi)容器的下部管道曲率半徑較小的彎頭處，最大為56.0MPa，遠(yuǎn)小于S30408材料的許用應(yīng)力137MPa。因此，在承受內(nèi)壓、自身重力及溫差應(yīng)力的作用下，優(yōu)化后頂部進(jìn)液管的安全性可以得到保證。

4 兩種結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)價(jià)

由ANSYS有限元分析軟件可知，在內(nèi)壓、自重及溫度應(yīng)力的作用下，原來(lái)的頂部進(jìn)液管所受到的最大主應(yīng)力為377MPa；而經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的頂部進(jìn)液管所受到的最大主應(yīng)力僅為56MPa?？梢?jiàn)經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的頂部進(jìn)液管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到了極大地保證，也遠(yuǎn)小于管道材料S30408［19］的許用應(yīng)力137MPa；優(yōu)化后的頂部進(jìn)液管可以安全穩(wěn)定地使用，而原來(lái)的頂部進(jìn)液管道所受到的最大主應(yīng)力則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了材料的許用應(yīng)力［20］，繼續(xù)使用會(huì)有一定的危險(xiǎn)性。

圖10 優(yōu)化后頂部進(jìn)液管豎直方向 （沿容器軸向）位移分布Fig.10 Vertical displacement for top inlet pipe（along axial direction of vessel）distribution after optimization design

圖11 優(yōu)化后的頂部進(jìn)液管的最大主應(yīng)力分布Fig.11 Maximum principal stress distribution of top inlet pipe after optimization design

圖12 優(yōu)化后的頂部進(jìn)液管的最大主應(yīng)力分布Fig.12 Partial enlarged drawing of maximum principal stress distribution for top inlet pipe after optimization design

5 結(jié) 論

利用有限元分析軟件對(duì)正常設(shè)計(jì)工況下液化天然氣儲(chǔ)罐的頂部進(jìn)液管道和優(yōu)化后的頂部進(jìn)液管道進(jìn)行了線彈性分析，分析得到了其位移分布及應(yīng)力分布情況。研究表明，通過(guò)合理的管路設(shè)計(jì)，提高管路的熱變形補(bǔ)償能力，可極大程度地降低管道的最大主應(yīng)力，保證容器在使用過(guò)程中的安全。

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