CNG儲氣罐快開人孔結構應力與密封性分析

何慶中，王志鵬，鮑林曉，張艷玲

(1.四川理工學院機械工程學院，四川 自貢 643000;2.洛陽拖拉機研究所有限公司，河南 洛陽 471039;3.南京南瑞國家電網有限責任公司，南京 210003)

引言

能源化工工業作為國民經濟的命脈，是國民經濟發展的支柱產業之一，在國民經濟和國防建設中具有不可替代的作用。作為清潔能源的天然氣，隨著我國能源化工工業的飛速發展，對其需求與日俱增。CNG儲氣罐作為天然氣開采、輸送和供給的重要設備，其具有結構簡單、制造成本低和使用壽命長等優點，在工業發展過程中的應用越來越廣泛。工程師們往往采取提高CNG儲氣罐內氣體壓力和容積的方式，盡可能地提升儲氣罐的儲存效率。因此，對CNG儲氣罐的結構進行安全性和密封性的有限元分析，為工程設計提供有力的理論依據，具有十分重要的理論意義和工程應用價值。

本文以某高壓容器企業自主研發的CNG儲氣罐快開人孔結構與密封性為研究對象，利用三維建模軟件建立其三維實體模型，再導入有限元軟件，采用有限元結構應力與接觸應力分析計算方法，經布爾運算和網格劃分、材料屬性定義、約束和載荷定義，對儲氣罐筒體與人孔結構及其密封性進行分析計算，并依據JB4732-95［1］和GB150-2011［2］進行結構與密封性評價，并提出合理化建議，為CNG儲氣罐優化設計和安全性評價提供一定的理論依據。

1 儲氣罐的基本結構

CNG儲氣罐內裝高壓(27.5 MPa)的天然氣介質，為儲氣罐筒體多層包扎結構，其結構與上、下球體封頭、上球體封頭與快開人孔端件之間的連接采用焊接結構，上端面、密封件與人孔蓋的裝配形式為使用12顆M60×4緊固螺栓(調質)預緊。

CNG儲氣罐基本結構如圖1所示。

圖1 CNG儲氣罐的基本結構

2 有限元計算及結果分析

2.1 三維模型的建立

對CNG儲氣罐結構進行適當的簡化，去除一些與有限元計算無關的特征。CNG儲氣罐的尺寸較大，同時由于結構的對稱性，因此可以沿CNG儲氣罐的縱向對稱面切開，以其1/4作為分析模型，如圖2所示。

圖2 CNG儲氣罐三維模型

在有限元應力應變分析時做如下假設:

(1)在各焊接部位無焊接缺陷的條件下，焊接材料的機械性能應不低于被焊接材料的機械性能，為便于理論分析計算，假設焊接材料的機械性能與被焊接材料的機械性能相同，其假設的分析計算結果是偏于安全的［3］。

(2)筒體為多層包扎結構，分析計算時假設為整體結構，其假設的分析計算結果偏于安全［4］。

(3)將儲氣罐筒體與上下球封頭的厚度視為一致，均為80 mm。

2.2 網格劃分

在實體模型進行連續體布爾運算檢驗基礎上，對應力集中和結構不連續處劃分較致密的網格單元，稀疏網格與致密網格之間通過過渡網格銜接。這樣可以在提高計算精度的同時，縮小模型的計算規模［5］。本模型共生成了64 914個節點和54 320個六面體網格單元。模型網格劃分，如圖3所示。

圖3 模型的網格劃分

2.3 主要材料的力學性能

CNG儲氣罐的主要材料的力學性能參數見表1。

表1 主要材料的力學性能［1］

2.4 工況載荷及邊界條件

CNG儲氣罐的主要工況參數由生產廠家提供，見表2。

表2 主要工況參數

根據工況條件，構建CNG儲氣罐有限元分析模型的邊界條件。在CNG儲氣罐及快開人孔結構組件的環向螺栓連接處，以局部直角坐標系為參考坐標，施加Z向完全約束，并在周向對稱面處建立對稱約束邊界條件。

根據工藝要求，CNG儲氣罐設計工況溫度為100℃，因此需要在CNG儲氣罐與介質接觸的表面同時施加溫度載荷和數值為27.5 MPa的壓力載荷。由于材料在100℃與常溫(20℃)條件下的力學性能相近，因此在應力校核時，采用材料在20℃條件下的力學性能參數。

天然氣儲氣罐快開人孔結構密封性的設計，是在快開人孔上端面與人孔蓋之間增墊了一個材料為L2的鋁合金密封墊片。在密封性分析計算時，依據天然氣儲氣罐快開人孔密封結構設計要求，快開人孔的密封性由12顆M60×4(調質)的螺栓緊固，每顆螺栓的預緊應力設計為133.3 MPa，以保證工況載荷條件下密封墊片的密封性能［6］。載荷及邊界條件約束如圖4所示。

圖4 載荷及邊界條件約束圖

2.5 有限元計算結果及評價

2.5.1 CNG儲氣罐筒體有限元分析結果評價

沿CNG儲氣罐筒體內壁自下球體封頭向快開人孔端件方向作筒體Mises應力圖的路徑，如圖5所示，其相應的沿路徑方向的Mises應力曲線如圖6所示。

由圖5與圖6可以看出，CNG儲氣罐的最大Mises應力出現在CNG儲氣罐快開人孔頸部，為175.4 MPa。依據JB4732-95、GB150-2011標準的結構定義和所設計的天然氣儲氣罐及快開人孔結構，快開人孔頸部結構屬于局部不連續結構，對天然氣儲氣罐總的結構應力和變形無顯著影響［7］。因此，快開人孔頸部結構處的應力按綜合應力進行評價。

評價標準:SⅣ=Q≤3 Sm［1］。

CNG儲氣罐快開人孔頸部選用的材料為Q345R，其許用應力為181 MPa。快開人孔頸部處:

說明CNG儲氣罐設計符合材料的應力極限要求，設計合理。

2.5.2 CNG儲氣罐快開人孔結構密封性分析

天然氣儲氣罐快開人孔結構密封性分析計算，重點研究其密封墊在緊固螺栓預緊力(應力)和天然氣儲氣罐內壓載荷應力作用下，分析計算預緊螺栓的應力強度和因預緊螺栓受拉彈性變形引起密封墊片上、下密封接觸面的密封性。依據JB4732-95、GB150-2011標準對密封性的評判規范要求，其密封墊的上下斷面的密封接觸面不低于30%［1-2］。

根據緊固螺栓應力分析計算結果(圖7)，最大的Mises應力為178.8 MPa，未超過35CrMoA材料的許用應力229 MPa，說明M60×4緊固螺栓(調質)的強度滿足設計要求。

圖7 螺栓Mises應力圖

從圖8、圖9密封墊片的密封性能分析結果可以看出，在密封墊片上密封面非滑移接觸密封面接近25%，而非滑移接觸密封面與滑移接觸密封面之和大于90%，說明密封墊片上密封面達到密封性能設計要求;對于密封墊片下密封面，盡管在下密封面未存在非滑移接觸密封面，但滑移接觸密封面所占比例也大于70%，表面密封墊片下密封面的密封性能也同樣達到了設計要求。

圖8 密封墊片上接觸面密封計算結果

3 結論

綜上所述，說明:

圖9 密封墊片下接觸面密封計算結果

(1)由某高壓容器企業開發的CNG儲氣罐，其快開人孔結構設計合理，緊固螺栓強度和密封墊片密封性能達到設計要求，能夠滿足CNG儲氣罐快開人孔結構強度和密封性的要求。

(2)本文的分析結果為工廠工程技術人員的產品設計提供了參考，其產品在工廠實際應用中滿足了客戶的需求，創造了良好的社會和經濟效益。

［1］JB4732-95，鋼制壓力容器——分析設計標準［S］.

［2］GB150-2011，鋼制壓力容器［S］.

［3］何慶中，袁宏遠.多層包扎壓力容器包扎焊接制造工藝改進［J］.壓力容器，2008，25(10)：45-48.

［4］何慶中，袁宏遠，王勇勤，等.多層包扎容器筒體預應力分析計算方法［J］.化工機械，2010，37(2)：148-152.

［5］石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解［M］.北京：清華大學出版社，2006.

［6］關慶賀.壓力容器的開孔補強結構優化設計［J］.裝備制造技術，2011(2)：47-48.

［7］唐 昕，雒定明.CNG地下儲氣井的應力分析與疲勞分析［J］.天然氣與石油，2010，28(3)：49-53.