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        基于最大剪應(yīng)力理論灌裝LNG集裝箱強(qiáng)度校核

        2015-10-09 21:07:12呂志慶等
        科技資訊 2015年17期
        關(guān)鍵詞:慣性力

        呂志慶等

        摘 要:LNG罐式集裝箱由于具有裝載量大,運(yùn)輸成本低廉等特點(diǎn),因此在石油化工行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。但由于是最危險(xiǎn)的第三類壓力容器,并且在低溫工作環(huán)境下受到包括設(shè)計(jì)壓力、靜壓力、慣性力在內(nèi)的復(fù)雜載況,因此LNG罐式集裝箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全尤為重要。該文對(duì)45英尺LNG罐式集裝箱進(jìn)行了有限元建模,基于最大剪應(yīng)力理論,對(duì)該集裝箱在常溫、低溫工作環(huán)境下的四種慣性力載況進(jìn)行了強(qiáng)度校核,證明了45英尺罐式集裝箱的結(jié)構(gòu)安全性。

        關(guān)鍵詞:罐式集裝箱 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 最大剪應(yīng)力理論 慣性力

        中圖分類號(hào):U66 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2015)06(b)-0095-02

        伴隨著21世紀(jì)全世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和石油能源的不斷耗盡,全世界新能源(主要是液化天然氣(簡稱LNG)替代石油能源)的需求越來越大。因LNG儲(chǔ)藏的分布不均,目前主要以管道運(yùn)輸及船舶運(yùn)輸為主,在船舶運(yùn)輸中主要以大型LNG運(yùn)輸船為主要的運(yùn)輸方式,集裝箱灌裝LNG船運(yùn)輸是十分必要的補(bǔ)充。

        LNG具有易燃、易爆的特性,所以罐式集裝箱屬于最危險(xiǎn)的第三類壓力容器,在運(yùn)輸中可能發(fā)生的情況比較復(fù)雜,不僅要承受內(nèi)壓或外壓載荷,還會(huì)受到慣性力的作用,以及低溫工作狀態(tài)下的低應(yīng)力脆性斷裂。該文應(yīng)用有限元法對(duì)45英尺LNG罐式集裝箱進(jìn)行數(shù)值建模,基于最大剪應(yīng)力理論,計(jì)算并校核設(shè)計(jì)壓力、靜壓力、慣性力聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,以保證其在工作溫度范圍內(nèi)(分常溫和低溫)正常運(yùn)行,有著重要的實(shí)際意義。

        1 有限元建模

        1.1 結(jié)構(gòu)與材料

        45英尺LNG罐式集裝箱結(jié)構(gòu)由罐體、閥門儀表箱、氣控箱及框架等構(gòu)成。

        罐體由內(nèi)、外容器構(gòu)成。內(nèi)容器材料為S30408(06Cr19Ni10、0Cr18Ni9);外殼材料為Q345R(16MnR)。

        1.2 主要技術(shù)參數(shù)

        45英尺LNG罐式集裝箱的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

        1.3 有限元模型

        根據(jù)廠家提供的結(jié)構(gòu)圖紙和設(shè)計(jì)參數(shù),應(yīng)用商業(yè)有限元軟件Ansys12.0,對(duì)45英尺LNG罐式集裝箱進(jìn)行有限元建模。罐體結(jié)構(gòu)采用殼單元Shell63,封頭和罐體的厚度不同,通過設(shè)置不同的實(shí)常數(shù)來實(shí)現(xiàn);框架結(jié)構(gòu)采用梁單元Beam188,可指定任意梁截面形式和尺寸。

        在罐體上有溫度計(jì)、氣路閥、安全閥、深井泵等部件,因它們形成的開孔較小,不會(huì)對(duì)強(qiáng)度造成較大的影響,故不對(duì)這些小的零件建模。因?yàn)楸貙拥馁|(zhì)量相對(duì)于總質(zhì)量很小,且不易破損,所以保溫層的影響被忽略,不進(jìn)行建模。

        2 載荷施加與邊界條件

        按照J(rèn)B/T4781-2005《液化氣體罐式集裝箱》等標(biāo)準(zhǔn)的要求,集裝箱罐式的強(qiáng)度校核要考慮以下載荷。

        (1)設(shè)計(jì)載荷:

        內(nèi)容器:0.76MPa;夾層:-0.1MPa。

        (2)液柱靜壓力荷:

        裝載量達(dá)到額定質(zhì)量時(shí)的液柱靜壓力。

        (3)慣性力設(shè)計(jì)載荷:

        a.在X軸方向施加2倍重力加速度(2g);

        b.在Y軸方向施加1倍重力加速度(g);

        c.在Z軸方向頂部向上施加1倍重力加速度(g);

        d.在Z軸方向底部向下施加2倍重力加速度(2g)。

        X軸:罐式集裝箱長軸方向;

        Y軸:罐式集裝箱短軸水平方向;

        Z軸:罐式集裝箱短軸向上方向。

        根據(jù)上述載荷可以組合以下4種設(shè)計(jì)工況:

        * 工況一:設(shè)計(jì)壓力+自重+X軸方向、大小為設(shè)計(jì)重量乘以2倍重力加速度的慣性力;

        * 工況二:設(shè)計(jì)壓力+自重+Y軸方向、大小為設(shè)計(jì)重量乘以1倍重力加速度的慣性力;

        * 工況三:設(shè)計(jì)壓力+Z軸向上方向、大小為設(shè)計(jì)重量乘以1倍重力加速度的慣性力;

        * 工況四:設(shè)計(jì)壓力+Z軸向下方向、大小為設(shè)計(jì)重量乘以2倍重力加速度的慣性力。

        約束條件:在框架底部支承處加全約束。

        2.1 液柱靜壓力加載

        液柱最大靜壓強(qiáng)為:

        式中:460kg/m3為密度;

        1848mm為罐內(nèi)液面高度。經(jīng)過計(jì)算基礎(chǔ)為LNG的充裝率為90%,罐體內(nèi)徑為2200mm。

        2.2 慣性力加載

        按照四種工況和罐式集裝箱的幾何尺寸,當(dāng)集裝箱分別受不同工況的慣性力時(shí),平均壓強(qiáng)的計(jì)算,見表2。

        3 強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)

        按照J(rèn)B4732-2005的規(guī)定,可以查表得到所用材料在使用溫度的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度,如果表中沒有所用材料,則材料在使用溫度的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度取σs/l.5(屈服強(qiáng)度)和σb/2.6(抗拉強(qiáng)度)中的較小值。

        在低溫工作(-196℃)環(huán)境下,按照船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn),在低溫工作環(huán)境下,內(nèi)容器設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)取σs/6和50MPa中的較小值。

        參照J(rèn)B4732-2005的規(guī)定,在以下計(jì)算中,將提取框架和罐體的一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度加彎曲應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)度校核,校核滿足條件為:。

        罐式集裝箱各部件的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度和許用應(yīng)力強(qiáng)度,見表3。

        4 強(qiáng)度計(jì)算與校核

        分別校核罐式集裝箱在常溫、低溫(-196℃)工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

        4.1 常溫環(huán)境下強(qiáng)度校核

        在常溫環(huán)境下,按照平均壓強(qiáng)法加載,分三部分考查罐式集裝箱的結(jié)構(gòu)安全,分別是內(nèi)容器(含支撐結(jié)構(gòu))、外殼、框架結(jié)構(gòu)。分別計(jì)算結(jié)構(gòu)在四種工況作下用的應(yīng)力強(qiáng)度,并與許用應(yīng)力強(qiáng)度相比較,結(jié)果如表4所示??梢娫诔丨h(huán)境下,各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求,因此該罐式集裝箱在常溫工作時(shí)結(jié)構(gòu)安全。

        內(nèi)容器的應(yīng)力強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在內(nèi)容器與外殼之間的支撐結(jié)構(gòu)處;外殼與框架的應(yīng)力強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在外殼與框架的連接處。

        4.2 低溫環(huán)境下強(qiáng)度校核

        在低溫環(huán)境下,按照平均壓強(qiáng)法加載,分別計(jì)算結(jié)構(gòu)在四種工況作用下的應(yīng)力強(qiáng)度,并與許用應(yīng)力強(qiáng)度相比較,結(jié)果如表5示。可見在低溫環(huán)境下,各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求,因此該罐式集裝箱在低溫工作時(shí)結(jié)構(gòu)安全。

        內(nèi)容器的應(yīng)力強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在內(nèi)容器與外殼之間的支撐結(jié)構(gòu)處;外殼與框架的應(yīng)力強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在外殼與框架的連接處。

        該文對(duì)45英尺LNG罐式集裝箱進(jìn)行了有限元建模,根據(jù)JB/T4781-2005《液化天然氣罐式集裝箱》規(guī)定校核的四種慣性力以及設(shè)計(jì)壓力、液柱靜壓力,對(duì)模型進(jìn)行了四種組合工況的加載。

        分別校核在常溫和低溫(-196℃)工作環(huán)境下該四種工況的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,通過有限元計(jì)算,該罐式集裝箱的應(yīng)力強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求,因此該罐式集裝箱在常溫和低溫工作環(huán)境中以及上述四種工況下,結(jié)構(gòu)是安全的。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 中國船級(jí)社.裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范[S].北京:民交通出版社,2005.

        [2] 全國鍋爐壓力容器標(biāo)委會(huì).液化氣體罐式集裝箱[S].北京:華社出版社,2005.

        [3] 國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).液化氣體鐵道罐車.北京:國標(biāo)準(zhǔn)出版社出版社,2007.

        [4] 國家技術(shù)監(jiān)督局.鋼制壓力容器.北京:國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1998.

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