LNG罐式集裝箱內筒強度儲備分布及設計中注意事項

蔣程程, 蔡永梅，謝禹鈞

（遼寧石油化工大學 機械工程學院， 遼寧 撫順 113001）

LNG罐式集裝箱內筒強度儲備分布及設計中注意事項

蔣程程, 蔡永梅，謝禹鈞

（遼寧石油化工大學 機械工程學院， 遼寧 撫順 113001）

LNG罐式集裝箱是運輸液態天然氣的設備，較比CNG（壓縮天然氣）裝置，它具有更大的單車運輸量。LNG罐式集裝箱裝載的介質為低溫，易燃。對其結構的安全分析是十分重要，必須對設備的各個部分強度進行詳盡的分析。對LNG罐式集裝箱罐體實際承載情形進行了模擬，通過有限元結構應力分析，給出了LNG罐式集裝箱罐體的應力分布，分析了關鍵部位的強度儲備，并提出了罐體改進設計的方案。

LNG罐式集裝箱；罐體；強度儲備

目前LNG罐式集裝箱是全球運輸液態天然氣設備之一，也是管道輸送天然氣以外的陸路運輸的重要設備。由于運輸路線復雜多變，導致近年來運輸事故頻繁發生，所以對其設備各個部件的設計[1-5]，各種工況下強度分析非常重要，本文依據中國船級社《集裝箱檢驗規范-2012》和 JB/T4784-2007《低溫液體罐式集裝箱》對LNG罐式集裝箱的內筒進行應力分析，以下是通過CAE軟件對罐式集裝箱內筒體進行建模分析[6-8]，得出筒體強度及位移分布狀態，最后通過筒體的強度校核提出了合理設計方法。

1 問題描述

以43 000 L罐式集裝箱圓筒為例，考慮內筒在最大允許載荷下，能夠承受的四種靜態力工況。筒體材質選用s30408，基本設計參數如表1所示。

表1 結構參數Table 1 Structural parameters

利用ANSYS軟件建立內筒模型，根據結構特點和載荷特性，采用了1/2軸對稱的力學模型。如圖1所示，采用具有中節點的六面體solid186單元進行網格劃分，設置圓周方向線段的剖分數為20，筒體軸向剖分數為40，厚度方向線段的剖分數為1，對其進行網格劃分，模型接觸區應加密網格，如圖2所示。取設計溫度下的彈性模量E=1.95×1 05MPa ,泊松比μ=0.3。

2 分析計算

對模型設定軸向位移約束，保證筒體不出現整體移動，并對筒體內表面施加壓力和相應的載荷。罐體在運輸中會出現不同的載荷組合情況[2]，因此根據相關標準規定載荷組合工況如表2所示。

表2 載荷組合工況Table 2 The working condition of load combination

四種工況下筒體所受慣性力大小具體數值如下:

①運動方向（縱向）：額定質量的兩倍重力加速度2mg。

通過計算得出封頭上應施加壓力為：P=247198(Pa)。

②與運動方向成直角的水平方向：額定質量的一倍重力加速度mg。

通過計算得出罐體側面應施加壓力為：P=8417(Pa) 。

③垂直向上：額定質量的一倍重力加速度mg。

通過計算得出罐體上半部應施加壓力為：P= 8417(Pa)。

④垂直向下：額定質量的兩倍重力加速度mg

通過計算得出罐體下半部應施加壓力為：P= 16833(Pa)。

各工況下的第三強度當量應力分布云圖和位移云圖分別為圖3-10所示。應力單位為MPa，位移單位為mm。

圖1 筒體模型一分析模型Fig.1 The cylinder model analysis model

圖2 筒體模型一網格Fig.2 Grid shell model

圖3 工況1 位移分布云圖Fig.3 The working condition 1 displacement distribution nephogram

圖4 工況1 應力分布云圖Fig.4 The working condition 1 stress distribution nephogram

圖5 工況2位移分布云圖Fig.5 The working condition 2 displacement distribution nephogram

圖6 工況2 應力分布云圖Fig.6 The working condition 2 stress distribution nephogram

圖7 工況3 位移分布云圖Fig.7 The working condition 3 displacement distribution nephogram

圖8 工況3 應力分布云圖Fig.8 The working condition 3 stress distribution nephogram

圖9 工況4 位移分布云圖Fig.9 The working condition 4 displacement distribution nephogram

圖10 工況4 應力分布云圖Fig.10 The working condition 4 stress distribution nephogram

3 校 核

通過應力狀態云圖發現4種工況最大應力都出現在一端封頭與內筒體連接區域應力大于其他地方，主要是由于模型的形狀突變，封頭與筒體壁厚突變所引起的。

工況1一端封頭與內筒體連接區域所受沖擊應力大于其它工況，筒體所受壓力沿軸線向另一端封頭呈現逐漸遞減，整個筒體受力比較均勻。位移也呈均勻梯度遞增。封頭另一端位移量最大。

工況2較比工況1一端封頭連接區受力有所變小，筒體中部受力增大，位移量分布也相應有所變化。

工況3較比工況2封頭連接區受力減小，筒體受力變得均勻，位移量在筒體中部出現最大。

工況4較比工況3封頭連接區受力增加，筒體力分布變得更加均勻，位移量最大處靠近封頭另一端即臨近筒體。

根據JB4732——95《鋼制壓力容器——分析設計標準》將危險截面采用等效線性化處理，對校核截面上的應力進行分解，分別歸入一次總體薄膜應力（Pm）；一次局部薄膜應力（PL）；一次彎曲應力（Pb）；二次應力（Q）；峰值應力（F）[9-11]。通過以上分析，共選取了4條危險路徑，如圖11所示，評定結果見表3。

通過計算，本文中的罐體在一端封頭與筒體連接區出現應力較大，根據受力分布，可以在罐體受力較大的一端采用加長筒體再削邊，將筒體長度延長微小長度,相應地封頭減少微小長度,在微小長度范圍內將筒體削邊,這就相當于球心位置不變,在微小長度范圍內對球殼進行了局部加厚,這樣就可以使罐體總體受力更加均勻，然后再適當總體減小壁厚，可以達到節省材料，真正做到優化[12]。

4 結 論

通過對LNG罐式集裝箱的安全評定，結合應力強度圖可分析出應力變化，進而可以對結構進行合理的改進，對受力較小的區域可以適當減薄，對受力較大地方要適當補強或者加厚壁厚。這樣既節省了材料，也降低了工程運輸成本。

圖11 模型一應力線性化路徑Fig.11 Stress linearization model path

表3 各應力評定路徑的評定結果Table 3 The assessment results of the stress evaluation path

［1］GB150-1998鋼制壓力容器[S]．

［2］集裝箱檢驗規范-2012[S].

［3］JB/T4780-2002液化天然氣罐式集裝箱[S].

［4］JB/T4784-2007低溫液體罐式集裝箱[S].

［5］JB4732-1995鋼制壓力容器—分析設計標準[S].

［6］于偉煒，高炳軍等.ANSYS在機械與化工裝備中的應用[M].北京：中國水利水電社,2007:84-97.

［7］王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學出版社，2003.

［8］顏云軍，謝里陽，韓清凱.結構分析中的有限單元法及其應用[M].沈陽：東北大學出版社，2008.

［9］劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2009.

［10］郜愿鋒，李明，張旭.壓力容器球形封頭與筒體連接結構分析[J].鍋爐制造，2010:53-55.

［11］胡宗柳，吳明，劉永峰，等.基于有限元法的球罐強度可靠性分析[J].遼寧石油化工大學學報，2011,31（4）:26-28.

［12］陸明萬，徐鴻.分析設計中若干重要問題的討論（一）[J].壓力容器,2006，23(1)：15-19.

LNG Tank Container Inner Barrel Strength Distribution and Points for Attention in the Design

JIANG Cheng-cheng, CAI Yong-mei, XIE Yu-jun
（College of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

LNG tank container is an equipment to transport liquefied natural gas. Compared with CNG (compressed natural gas) device, it has bigger loading. Goods in LNG tank container are low temperature or flammable, so safe analysis of LNG tank container structure is very important, it is important to detailedly analyze the strength of all parts of the equipment. In this paper, LNG tank container tank under actual burden was simulated; stress distribution of LNG tank container tank was obtained through the finite element stress analysis, the strength reserve of important parts was analyzed, and improving design plan of the tank was put forward.

LNG tank container ; Tanks; Strength reserve

TQ 051

A

1671-0460（2014）12-2555-03

2014-04-29

蔣程程（1988-），女，遼寧撫順人，在讀研究生，研究方向：LNG罐式集裝箱評定。E-mail：798131826@qq.com。