慣性力作用下船用液化天然氣儲罐的應力分析

王曉東，惠虎

（華東理工大學承壓系統(tǒng)安全科學教育部重點實驗室，上海200237）

引 言

近幾十年以來，天然氣作為清潔能源越來越受到青睞。隨著低溫技術不斷地進步，液化天然氣在能源供應當中的比例迅速增加［1－3］。正是液化天然氣技術的突飛猛進帶動了液化天然氣儲罐的快速發(fā)展，同時液化天然氣儲罐的安全問題不容忽視，這使得液化天然氣儲罐比普通的壓力容器具有更高的要求。對于傳統(tǒng)的儲罐設計多是基于彈性失效準則的常規(guī)設計標準，但是常規(guī)設計方法對于容器中的某些應力，如結構不連續(xù)應力，開孔接管部分的集中應力等并不進行強度校核［4－6］。針對這些問題，目前復雜壓力容器的設計多采用常規(guī)設計為主，并通過分析設計方法的使用有限元來進行設計。

本文所研究的某臥式液化天然氣儲罐，其采用一端滑動、一端固定的支撐形式，以釋放承載液化天然氣時由于溫差所產生的應力。在工作時承受內、外壓，慣性載荷及重力載荷。由于系統(tǒng)結構及載荷復雜，且承載時系統(tǒng)內各部件又相互影響和制約，采用傳統(tǒng)材料力學或結構力學很難分析該系統(tǒng)內各部件應力情況［7－10］。為了能對系統(tǒng)內各部件的受力情況有較詳細的了解，本文采用數(shù)值計算方法對其進行力學分析，研究了在典型慣性載荷情況下儲罐的應力分布情況，并對其安全性進行了分析，為設計及制造生產提供了科學依據(jù)。

1 有限元分析

1.1 材料參數(shù)

液化天然氣儲罐主要技術參數(shù)見表1。

表1 液化天然氣儲罐主要技術參數(shù)Table 1 Main parameters of LNG storage tank

1.2 計算模型

根據(jù)儲罐的詳細圖紙，采用大型商用有限元軟件ANSYS建立了儲罐的三維實體模型，儲罐結構及承受的載荷均可視作關于縱向中間截面對稱，在這些情況下可以取1／2筒體進行有限元建模分析。其中圖1為儲罐的有限元模型。

對上述的有限元模型進行了網格劃分，在網格化中采用了8節(jié)點實體單元Solid45，絕大部分實體都采用六面體單元，在有些難以采用六面體的實體部分采用了10節(jié)點四面體單元Solid187進行了網格劃分，玻璃鋼支撐與支座間采用接觸單元處理。通過反復的試算選擇了合適的網格尺寸，使得最終計算結果基本上不受網格尺寸的影響。圖2為儲罐的有限元網格圖。將各種材料相應的彈性模量、泊松比、材料密度輸入。

圖1 液化天然氣儲罐有限元模型Fig.1 LNG storage tank finite element model

圖2 液化天然氣儲罐的有限元網格圖Fig.2 Finite element mesh diagram of LNG storage tank

1.3 載荷及邊界條件的施加

對于該儲罐的邊界條件進行了如下的處理：

在本次分析中，考慮到運輸過程中所包含的慣性載荷為：內容器承受1.3MPa的內壓力，外容器承受0.1MPa的外壓力，內、外容器及附件的自重，內、外容器及附件承受沿運動方向2g慣性力，以及承裝的液化氣體承受沿運動方向2g慣性力。

對于內外壓力，在有限元模型相應面上施加相應內壓力和外壓力即可；對于內、外容器及附件的自重，可在有限元分析中輸入相關材料的密度，并施加重力加速度即可；對于內、外容器及附件承受沿運動方向2g慣性力，可在有限元分析中輸入相關材料的密度，并施加沿水平方向2g慣性即可；對于承裝的液化氣體承受沿運動方向2g慣性力，可根據(jù)中國船級社 《天然氣燃料動力船舶規(guī)范》附錄1中2.4.2的相關規(guī)定［11］，將此慣性力均勻分布在儲罐對應方向的投影面上，儲罐承裝介質質量為23004kg，則在儲罐對應方向的投影面上施加等效載荷0.1MPa，即在內容器運動方向一側的封頭上再施加0.1MPa的壓力即可。

2 有限元分析結果

對液化天然氣儲罐整體進行有限元計算后，得到的應力結果如圖3～圖5所示。最大應力為運動方向前部的封頭部分，最大Mises應力約為168 MPa。沿著運動方向封頭曲率最大的位置向兩端的位置應力逐漸降低。對于拉帶結構，在承受向前的2g加速度時，前拉帶主要承受壓應力，后拉帶承受拉應力，最大約為96MPa，遠小于S30408鋼的許用應力135MPa。對于玻璃鋼支撐，承受的剪應力平均約為16.5MPa，且其方向垂直于布層方向，遠小于一般低溫容器行業(yè)常采用的玻璃鋼的剪切強度。

圖3 運動方向2倍重力加速度的儲罐Mises應力分布Fig.3 Mises stress distribution of tank movement direction 2times acceleration of gravity

JB 4732—1995《鋼制壓力容器 分析設計標準》［12］要求對計算的局部的應力做出詳細的計算，其中應力分類的基本原則是按照應力產生的原因、應力的分布以及應力對失效的影響將應力分為三大類，分別是一次應力、二次應力和峰值應力，對于不同性質的應力給予不同的限制條件［13－14］。本文采用路徑處理法，即將容器危險截面上各應力分量沿應力分布線進行均勻化和線性化處理，并將得到沿應力分布線的平均應力 （薄膜應力）、線性應力（彎曲應力）和應力的非線性部分，再根據(jù)應力對容器失效所起作用的大小分為一次總體薄膜應力、一次局部薄膜應力、一次彎曲應力和峰值應力，并計算出不同應力類型及其組合的應力強度，要求相應的應力強度不超過各自許用值［15－18］。

圖4 運動方向2倍重力加速度的儲罐Mises應力分布Fig.4 Mises stress distribution of tank movement direction 2times acceleration of gravity

圖5 玻璃鋼支撐沿運動方向的剪切應力分布Fig.5 Shear stress distribution of glass steel support along direction of motion

進一步對該最大應力截面進行了應力分析，其應力強度分布如圖6所示，可見，沿厚度截面其應力強度是變化的，對其沿厚度方向定義路徑A—A，應力強度沿A—A路徑的分布如圖7所示，根據(jù)JB 4732標準，對該最大應力處截面進行應力分析，可進行線性化處理，截面處薄膜應力 （應力強度，即第三強度理論的等效應力）SⅠ為146.2 MPa，內壁處 （薄膜應力＋彎曲應力）SⅡ較大，為178.9MPa。如按照S30408鋼板137MPa的許用應力，即基本許用應力強度Sm＝137MPa，該截面應力SⅠ＞Sm，是不能通過評定的。但是注意到新版 GB 150—2011及 TSG R0005—2011［19］對于高合金鋼特別是奧氏體不銹鋼，均允許采用Rp1.0計算其設計應力強度，故按照Rp1.0＝245 MPa的標準下限值，其計算得到的Sm＝163MPa 。則SⅠ＜Sm，SⅡ＜1.5Sm。

圖6 最大應力處應力強度分布Fig.6 Maximum stress and stress intensity distribution

圖7 最大應力處A—A截面應力線性化分布Fig.7 Maximum stress at A—A section stress linearization distribution

3 結 論

本文采用了ANSYS軟件對船用液化天然氣儲罐進行了結構強度分析，對液化天然氣儲罐在運輸過程中承受縱向加速度的慣性力的條件下的儲罐進行了線彈性分析，結合分析設計標準JB 4732對受壓部件進行了強度校核和安全評定，可以看出相比較常規(guī)設計方法，常規(guī)設計結合有限元計算的分析設計方法計算更加準確［20］，通過對局部的分析，對液化天然氣儲罐的設計以及以后的生產提供了參考。分析結果表明：

（1）在運動方向2倍重力加速度的液化天然氣儲罐最大應力出現(xiàn)在運動方向前封頭的曲率最大的位置，最大的Mises應力達到了168MPa。其中應力集中的區(qū)域主要產生在固定支撐區(qū)域的墊板邊緣部分。

（2）該液化天然氣儲罐在承受運動方向2倍重力加速度的慣性力條件下，各部分的應力水平均低于材料對應的許用應力，在此條件下該儲罐可以安全使用。

符 號 說 明

Sm——基本許用應力強度

SⅠ——一次總體薄膜應力強度

SⅡ——一次薄膜應力加一次彎曲應力強度

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