雙燃料船舶TCS低溫管路應力分析

戴冰,曹凱,劉城君,張文濤

(青島雙瑞海洋環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的重要組成部分(圖1)。

圖1 雙燃料船舶儲罐連接空間

同時也是整個燃料供氣系統連接儲罐與發動機的中間部分,主要作用是對LNG燃料進行處理,使其成為具有滿足發動機使用要求的溫度壓力的氣體燃料,從而供給主機燃燒。TCS中設備較多,且整個區域為圍蔽空間,一旦管路發生泄漏,LNG在空間內聚集氣化,與空氣進行混合,極易引發爆炸事故,所以針對TCS內部的低溫管路應力分析校核就顯得尤為重要。

1 模型建立

以內河雙燃料運輸船為例,對其船用儲罐的TCS低溫管路進行相關應力分析。根據儲罐TCS管路的單線圖,對需要進行應力分析的低溫管路進行區分(根據中國船級社低溫管路應力分析指南要求[1],當設計溫度為-110 ℃或更低時,需要對管路進行完整的應力分析),對管路的材質,介質密度,管徑,壁厚,設計壓力,設計溫度,管路保溫厚度及密度在CEASARII軟件中進行輸入,管路的設計參數如表1～2所示。

表1 管路設計參數

表2 絕緣材質及厚度

根據管路功能進行劃分,將TCS管路在軟件中進行管線編號,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計參數的輸入,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,管路與設備連接的固定約束)。在TCS管路中,應用最多的管路支架形式是剛性支架,包括承重支架,導向支架,固定支架,在CEASARII軟件模擬中,需要對特定的節點添加不同方向的約束,并輸入支架間隙值以及摩擦系數,從而完成支架模擬,如圖2所示。

圖2 支架輸入

根據TCS管路單線圖,結合管路的設計參數以及支架設計參數,在CEASARII軟件中進行輸入,最終得到整個TCS內部的管路模型,如圖3所示。

圖3 管路應力分析模型

2 工況劃分

在進行TCS管路計算前,需要對TCS管路的工作工況進行編輯。在不同工況下,對TCS管路進行應力校核以及支架校核,保證管路的安全性。所以在分析計算之前能否對工況進行合理的劃分,是決定管路應力分析結果是否正確的前提。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計溫度、最低設計溫度、工作溫度、設計壓力、壓力試驗壓力、管路重量、船舶加速度載荷、安全閥支反力載荷。

管路的計算工況根據應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(OPE)、安裝態(SUS)、膨脹態(EXP)、偶然態(OCC),其中操作態工況可以在應力結果校核時查看管路熱位移以及支架的支反力,安裝態、膨脹態、偶然態工況在操作態工況的基礎上進行分解與組合。安裝態、膨脹態以及偶然態工況主要作要是校核管路的一次應力、二次應力、偶然應力是否滿足規范要求。其中,一次應力是非自限性應力,由持久載荷的作用而產生,應力隨著載荷的增加而增加,直到結構破壞為止,而二次應力是自限性應力,由位移載荷的作用而產生,管路發生塑性變形后應力不會一直增加。

針對TCS低溫管路,因為溫度載荷的作用,管路會產生熱脹冷縮變形,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力是整個管路應力校核中需要重點關注的地方。根據TCS管路載荷開展組合的工作工況列表如表5所示(CASE1為TCS管路的水壓試驗工況,CASE37為TCS管路的空載工況)。

表5 工況列表

表5(續)

表5(續)

3 應力分析結果校核

通過軟件后處理模塊,對管路的一次應力、二次應力、偶然應力的計算結果進行整理,將各個工況下各節點的應力最大值進行篩選,如表6所示。

表6 管路應力值列表

表6(續)

根據ASME B31.3工藝管路規范[2],對管路應力進行分類校核,校核公式如下所示:水壓試驗應力(HYD):SL

一次應力(SUS):SL

偶然應力(OCC):SLocc

二次應力(EXP):SE

SL—一次應力;

Re—規定的室溫下材料最低屈服強度;

Rm—規定的室溫下材料最低抗拉強度;

Sh—一次應力許用應力(取Rm/2.7或者Re/1.8的計算值的較小者);

SLocc—偶然應力;

SE—二次應力;

SA—二次應力許用應力。

通過以上公式進行驗證,可以得到下述結論:

管路一次應力最大值出現在L29工況,應力占比為74%;

管路二次應力最大值出現在L42/L44工況,應力占比為86.4%;

管路偶然應力最大值出現在L72工況,應力占比為62.4%。

各類應力的最大值均在規范要求的許用范圍之內,從而證明管道結構在現有工況下是安全可靠的。

由圖4可知,二次應力、偶然應力的最大值均出現在儲罐安全閥管路,因為這部分管路的管徑相對較粗,管路在兩個固定點之間的長度較短,在溫度載荷的作用下吸收位移變形的能力較差,故二次應力相對于其他區域來說較高,同時,因為安全閥排放反力對管路的作用,偶然應力相對于其他區域來說也相對較高。

圖4 應力區域展示

4 支架校核

除了對管路本身的應力值進行校核,保證管道自身結構安全之外,還應關注管路支架的安全。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范要求的許用值。管路支架支反力需要在安裝態以及操作態這兩類工況下進行查看,并且需要關注管道在支架處的熱變形位移值,如果超過支架規范要求的位移值,則可能造成管道在支架處的滑落。除了關注管路應力校核以及支架校核外,還應關注管路在安裝態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。若撓度值超出許用范圍,則說明管道在該處缺少支架,需要增加支架數量。最后,盡量設置合適的固定支架,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。

5 結論

(1)管路模型建立時利用軟件的管線號功能對不同種類的管路進行劃分,尤其對于TCS內部管路,管路功能復雜,不同功能管路的管徑,壁厚,介質類型,設計壓力,設計溫度等參數不盡相同,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)工況劃分是應力分析的基礎,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,可以滿足管路應力分類校核的需求。

(3)在進行管路應力分析時,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力滿足規范要求,在重力,壓力,船舶加速度載荷的作用下保持良好的強度,還可以使管路在溫度,端點附加位移等位移載荷的作用下具有良好的柔性。

(4)管路應力分析是一個系統性分析,分析的內容除了管路本身的應力之外,還要考慮管路支架,管路連接設備的強度是否滿足要求,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范的指導下進行校核檢驗,才能保證管路在使用時的安全與可靠。