戴冰,曹凱,劉城君,張文濤

(青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司,山東 青島 266101)

雙燃料船舶的儲罐連接空間(Tank-Connection-Spce,簡稱TCS)是船舶燃料供氣系統(tǒng)的重要組成部分(圖1)。

圖1 雙燃料船舶儲罐連接空間

同時(shí)也是整個(gè)燃料供氣系統(tǒng)連接儲罐與發(fā)動(dòng)機(jī)的中間部分,主要作用是對LNG燃料進(jìn)行處理,使其成為具有滿足發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求的溫度壓力的氣體燃料,從而供給主機(jī)燃燒。TCS中設(shè)備較多,且整個(gè)區(qū)域?yàn)閲慰臻g,一旦管路發(fā)生泄漏,LNG在空間內(nèi)聚集氣化,與空氣進(jìn)行混合,極易引發(fā)爆炸事故,所以針對TCS內(nèi)部的低溫管路應(yīng)力分析校核就顯得尤為重要。

1 模型建立

以內(nèi)河雙燃料運(yùn)輸船為例,對其船用儲罐的TCS低溫管路進(jìn)行相關(guān)應(yīng)力分析。根據(jù)儲罐TCS管路的單線圖,對需要進(jìn)行應(yīng)力分析的低溫管路進(jìn)行區(qū)分(根據(jù)中國船級社低溫管路應(yīng)力分析指南要求[1],當(dāng)設(shè)計(jì)溫度為-110 ℃或更低時(shí),需要對管路進(jìn)行完整的應(yīng)力分析),對管路的材質(zhì),介質(zhì)密度,管徑,壁厚,設(shè)計(jì)壓力,設(shè)計(jì)溫度,管路保溫厚度及密度在CEASARII軟件中進(jìn)行輸入,管路的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1～2所示。

表1 管路設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 絕緣材質(zhì)及厚度

根據(jù)管路功能進(jìn)行劃分,將TCS管路在軟件中進(jìn)行管線編號,方便后期對管路的顯示與選取。將管路類型劃分為6種,分別為液相加注管路,氣相回氣管路,自增壓液相管路,供液液相管路,透氣管路與常溫套管。

除了管路基本模型的建立以及管路設(shè)計(jì)參數(shù)的輸入,還需要在軟件中對管路模型添加偶然載荷,包括船體加速度載荷,安全閥排放反力載荷,如表3～4所示。

表3 加速度載荷

表4 安全閥排放反力載荷

最后還需要對管路模型添加邊界條件,針對 TCS內(nèi)部管路,邊界條件主要包括管路支架以及管路的固定約束(包括管路與儲罐的固定約束,管路穿艙固定約束,管路與設(shè)備連接的固定約束)。在TCS管路中,應(yīng)用最多的管路支架形式是剛性支架,包括承重支架,導(dǎo)向支架,固定支架,在CEASARII軟件模擬中,需要對特定的節(jié)點(diǎn)添加不同方向的約束,并輸入支架間隙值以及摩擦系數(shù),從而完成支架模擬,如圖2所示。

圖2 支架輸入

根據(jù)TCS管路單線圖,結(jié)合管路的設(shè)計(jì)參數(shù)以及支架設(shè)計(jì)參數(shù),在CEASARII軟件中進(jìn)行輸入,最終得到整個(gè)TCS內(nèi)部的管路模型,如圖3所示。

圖3 管路應(yīng)力分析模型

2 工況劃分

在進(jìn)行TCS管路計(jì)算前,需要對TCS管路的工作工況進(jìn)行編輯。在不同工況下,對TCS管路進(jìn)行應(yīng)力校核以及支架校核,保證管路的安全性。所以在分析計(jì)算之前能否對工況進(jìn)行合理的劃分,是決定管路應(yīng)力分析結(jié)果是否正確的前提。工況的劃分,核心在于能否對管路載荷正確地組合,所以在工況劃分之前,需要確保管路添加的載荷種類與數(shù)量的正確性,針對船舶TCS低溫管路,管路載荷包括管路最高設(shè)計(jì)溫度、最低設(shè)計(jì)溫度、工作溫度、設(shè)計(jì)壓力、壓力試驗(yàn)壓力、管路重量、船舶加速度載荷、安全閥支反力載荷。

管路的計(jì)算工況根據(jù)應(yīng)力校核與管路支架校核的需要,可以劃分為四類,分別為操作態(tài)(OPE)、安裝態(tài)(SUS)、膨脹態(tài)(EXP)、偶然態(tài)(OCC),其中操作態(tài)工況可以在應(yīng)力結(jié)果校核時(shí)查看管路熱位移以及支架的支反力,安裝態(tài)、膨脹態(tài)、偶然態(tài)工況在操作態(tài)工況的基礎(chǔ)上進(jìn)行分解與組合。安裝態(tài)、膨脹態(tài)以及偶然態(tài)工況主要作要是校核管路的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、偶然應(yīng)力是否滿足規(guī)范要求。其中,一次應(yīng)力是非自限性應(yīng)力,由持久載荷的作用而產(chǎn)生,應(yīng)力隨著載荷的增加而增加,直到結(jié)構(gòu)破壞為止,而二次應(yīng)力是自限性應(yīng)力,由位移載荷的作用而產(chǎn)生,管路發(fā)生塑性變形后應(yīng)力不會一直增加。

針對TCS低溫管路,因?yàn)闇囟容d荷的作用,管路會產(chǎn)生熱脹冷縮變形,對管路柔性(管路吸收位移變形的能力)提出了很高的要求,所以由位移載荷引起的二次應(yīng)力是整個(gè)管路應(yīng)力校核中需要重點(diǎn)關(guān)注的地方。根據(jù)TCS管路載荷開展組合的工作工況列表如表5所示(CASE1為TCS管路的水壓試驗(yàn)工況,CASE37為TCS管路的空載工況)。

表5 工況列表

表5(續(xù))

表5(續(xù))

3 應(yīng)力分析結(jié)果校核

通過軟件后處理模塊,對管路的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、偶然應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理,將各個(gè)工況下各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力最大值進(jìn)行篩選,如表6所示。

表6 管路應(yīng)力值列表

表6(續(xù))

根據(jù)ASME B31.3工藝管路規(guī)范[2],對管路應(yīng)力進(jìn)行分類校核,校核公式如下所示:水壓試驗(yàn)應(yīng)力(HYD):SL

一次應(yīng)力(SUS):SL

偶然應(yīng)力(OCC):SLocc

二次應(yīng)力(EXP):SE

SL—一次應(yīng)力;

Re—規(guī)定的室溫下材料最低屈服強(qiáng)度;

Rm—規(guī)定的室溫下材料最低抗拉強(qiáng)度;

Sh—一次應(yīng)力許用應(yīng)力(取Rm/2.7或者Re/1.8的計(jì)算值的較小者);

SLocc—偶然應(yīng)力;

SE—二次應(yīng)力;

SA—二次應(yīng)力許用應(yīng)力。

通過以上公式進(jìn)行驗(yàn)證,可以得到下述結(jié)論:

管路一次應(yīng)力最大值出現(xiàn)在L29工況,應(yīng)力占比為74%;

管路二次應(yīng)力最大值出現(xiàn)在L42/L44工況,應(yīng)力占比為86.4%;

管路偶然應(yīng)力最大值出現(xiàn)在L72工況,應(yīng)力占比為62.4%。

各類應(yīng)力的最大值均在規(guī)范要求的許用范圍之內(nèi),從而證明管道結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有工況下是安全可靠的。

由圖4可知,二次應(yīng)力、偶然應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在儲罐安全閥管路,因?yàn)檫@部分管路的管徑相對較粗,管路在兩個(gè)固定點(diǎn)之間的長度較短,在溫度載荷的作用下吸收位移變形的能力較差,故二次應(yīng)力相對于其他區(qū)域來說較高,同時(shí),因?yàn)榘踩y排放反力對管路的作用,偶然應(yīng)力相對于其他區(qū)域來說也相對較高。

圖4 應(yīng)力區(qū)域展示

4 支架校核

除了對管路本身的應(yīng)力值進(jìn)行校核,保證管道自身結(jié)構(gòu)安全之外,還應(yīng)關(guān)注管路支架的安全。針對管路支架的校核,需要保證管路對支架的支反力低于規(guī)范要求的許用值。管路支架支反力需要在安裝態(tài)以及操作態(tài)這兩類工況下進(jìn)行查看,并且需要關(guān)注管道在支架處的熱變形位移值,如果超過支架規(guī)范要求的位移值,則可能造成管道在支架處的滑落。除了關(guān)注管路應(yīng)力校核以及支架校核外,還應(yīng)關(guān)注管路在安裝態(tài)下垂直于軸線方向的線位移,即管路的撓度是否滿足要求。對于TCS管路,一般要求撓度值在3 mm之內(nèi)。若撓度值超出許用范圍,則說明管道在該處缺少支架,需要增加支架數(shù)量。最后,盡量設(shè)置合適的固定支架,控制管路的整體熱位移,一般將管道整體的熱位移值控制在50 mm以內(nèi)。

5 結(jié)論

(1)管路模型建立時(shí)利用軟件的管線號功能對不同種類的管路進(jìn)行劃分,尤其對于TCS內(nèi)部管路,管路功能復(fù)雜,不同功能管路的管徑,壁厚,介質(zhì)類型,設(shè)計(jì)壓力,設(shè)計(jì)溫度等參數(shù)不盡相同,通過對管路的分類,可以極大地提高軟件后處理分析的效率。

(2)工況劃分是應(yīng)力分析的基礎(chǔ),通過對管路工作工況的劃分以及不同種類載荷的相互組合,可以滿足管路應(yīng)力分類校核的需求。

(3)在進(jìn)行管路應(yīng)力分析時(shí),支架類型的選擇與布置尤其重要,合理的支架選擇與布置,既可以使管路的一次應(yīng)力滿足規(guī)范要求,在重力,壓力,船舶加速度載荷的作用下保持良好的強(qiáng)度,還可以使管路在溫度,端點(diǎn)附加位移等位移載荷的作用下具有良好的柔性。

(4)管路應(yīng)力分析是一個(gè)系統(tǒng)性分析,分析的內(nèi)容除了管路本身的應(yīng)力之外,還要考慮管路支架,管路連接設(shè)備的強(qiáng)度是否滿足要求,還包括對管路的熱變形以及撓度的校核,只有將這些方面全部考慮到并且在規(guī)范的指導(dǎo)下進(jìn)行校核檢驗(yàn),才能保證管路在使用時(shí)的安全與可靠。