基于最大剪應(yīng)力理論灌裝LNG集裝箱強(qiáng)度校核

呂志慶等

摘 要：LNG罐式集裝箱由于具有裝載量大，運(yùn)輸成本低廉等特點(diǎn)，因此在石油化工行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。但由于是最危險(xiǎn)的第三類壓力容器，并且在低溫工作環(huán)境下受到包括設(shè)計(jì)壓力、靜壓力、慣性力在內(nèi)的復(fù)雜載況，因此LNG罐式集裝箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全尤為重要。該文對45英尺LNG罐式集裝箱進(jìn)行了有限元建模，基于最大剪應(yīng)力理論，對該集裝箱在常溫、低溫工作環(huán)境下的四種慣性力載況進(jìn)行了強(qiáng)度校核，證明了45英尺罐式集裝箱的結(jié)構(gòu)安全性。

關(guān)鍵詞：罐式集裝箱 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 最大剪應(yīng)力理論 慣性力

中圖分類號：U66 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0095-02

伴隨著21世紀(jì)全世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和石油能源的不斷耗盡，全世界新能源（主要是液化天然氣（簡稱LNG）替代石油能源）的需求越來越大。因LNG儲藏的分布不均，目前主要以管道運(yùn)輸及船舶運(yùn)輸為主，在船舶運(yùn)輸中主要以大型LNG運(yùn)輸船為主要的運(yùn)輸方式，集裝箱灌裝LNG船運(yùn)輸是十分必要的補(bǔ)充。

LNG具有易燃、易爆的特性，所以罐式集裝箱屬于最危險(xiǎn)的第三類壓力容器，在運(yùn)輸中可能發(fā)生的情況比較復(fù)雜，不僅要承受內(nèi)壓或外壓載荷，還會受到慣性力的作用，以及低溫工作狀態(tài)下的低應(yīng)力脆性斷裂。該文應(yīng)用有限元法對45英尺LNG罐式集裝箱進(jìn)行數(shù)值建模，基于最大剪應(yīng)力理論，計(jì)算并校核設(shè)計(jì)壓力、靜壓力、慣性力聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以保證其在工作溫度范圍內(nèi)（分常溫和低溫）正常運(yùn)行，有著重要的實(shí)際意義。

1 有限元建模

1.1 結(jié)構(gòu)與材料

45英尺LNG罐式集裝箱結(jié)構(gòu)由罐體、閥門儀表箱、氣控箱及框架等構(gòu)成。

罐體由內(nèi)、外容器構(gòu)成。內(nèi)容器材料為S30408（06Cr19Ni10、0Cr18Ni9）；外殼材料為Q345R（16MnR）。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

45英尺LNG罐式集裝箱的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.3 有限元模型

根據(jù)廠家提供的結(jié)構(gòu)圖紙和設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)用商業(yè)有限元軟件Ansys12.0，對45英尺LNG罐式集裝箱進(jìn)行有限元建模。罐體結(jié)構(gòu)采用殼單元Shell63，封頭和罐體的厚度不同，通過設(shè)置不同的實(shí)常數(shù)來實(shí)現(xiàn)；框架結(jié)構(gòu)采用梁單元Beam188，可指定任意梁截面形式和尺寸。

在罐體上有溫度計(jì)、氣路閥、安全閥、深井泵等部件，因它們形成的開孔較小，不會對強(qiáng)度造成較大的影響，故不對這些小的零件建模。因?yàn)楸貙拥馁|(zhì)量相對于總質(zhì)量很小，且不易破損，所以保溫層的影響被忽略，不進(jìn)行建模。

2 載荷施加與邊界條件

按照J(rèn)B/T4781-2005《液化氣體罐式集裝箱》等標(biāo)準(zhǔn)的要求，集裝箱罐式的強(qiáng)度校核要考慮以下載荷。

（1）設(shè)計(jì)載荷：

內(nèi)容器：0.76MPa；夾層：-0.1MPa。

（2）液柱靜壓力荷：

裝載量達(dá)到額定質(zhì)量時的液柱靜壓力。

（3）慣性力設(shè)計(jì)載荷：

a.在X軸方向施加2倍重力加速度（2g）；

b.在Y軸方向施加1倍重力加速度（g）；

c.在Z軸方向頂部向上施加1倍重力加速度（g）；

d.在Z軸方向底部向下施加2倍重力加速度（2g）。

X軸：罐式集裝箱長軸方向；

Y軸：罐式集裝箱短軸水平方向；

Z軸：罐式集裝箱短軸向上方向。

根據(jù)上述載荷可以組合以下4種設(shè)計(jì)工況：

* 工況一：設(shè)計(jì)壓力+自重+X軸方向、大小為設(shè)計(jì)重量乘以2倍重力加速度的慣性力；

* 工況二：設(shè)計(jì)壓力+自重+Y軸方向、大小為設(shè)計(jì)重量乘以1倍重力加速度的慣性力；

* 工況三：設(shè)計(jì)壓力+Z軸向上方向、大小為設(shè)計(jì)重量乘以1倍重力加速度的慣性力；

* 工況四：設(shè)計(jì)壓力+Z軸向下方向、大小為設(shè)計(jì)重量乘以2倍重力加速度的慣性力。

約束條件：在框架底部支承處加全約束。

2.1 液柱靜壓力加載

液柱最大靜壓強(qiáng)為：

式中：460kg/m3為密度；

1848mm為罐內(nèi)液面高度。經(jīng)過計(jì)算基礎(chǔ)為LNG的充裝率為90%，罐體內(nèi)徑為2200mm。

2.2 慣性力加載

按照四種工況和罐式集裝箱的幾何尺寸，當(dāng)集裝箱分別受不同工況的慣性力時，平均壓強(qiáng)的計(jì)算，見表2。

3 強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)

按照J(rèn)B4732-2005的規(guī)定，可以查表得到所用材料在使用溫度的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，如果表中沒有所用材料，則材料在使用溫度的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度取σs/l.5（屈服強(qiáng)度）和σb/2.6（抗拉強(qiáng)度）中的較小值。

在低溫工作（-196℃）環(huán)境下，按照船級社標(biāo)準(zhǔn)，在低溫工作環(huán)境下，內(nèi)容器設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)取σs/6和50MPa中的較小值。

參照J(rèn)B4732-2005的規(guī)定，在以下計(jì)算中，將提取框架和罐體的一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度加彎曲應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)度校核，校核滿足條件為：。

罐式集裝箱各部件的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度和許用應(yīng)力強(qiáng)度，見表3。

4 強(qiáng)度計(jì)算與校核

分別校核罐式集裝箱在常溫、低溫（-196℃）工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

4.1 常溫環(huán)境下強(qiáng)度校核

在常溫環(huán)境下，按照平均壓強(qiáng)法加載，分三部分考查罐式集裝箱的結(jié)構(gòu)安全，分別是內(nèi)容器（含支撐結(jié)構(gòu)）、外殼、框架結(jié)構(gòu)。分別計(jì)算結(jié)構(gòu)在四種工況作下用的應(yīng)力強(qiáng)度，并與許用應(yīng)力強(qiáng)度相比較，結(jié)果如表4所示?？梢娫诔丨h(huán)境下，各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，因此該罐式集裝箱在常溫工作時結(jié)構(gòu)安全。

內(nèi)容器的應(yīng)力強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在內(nèi)容器與外殼之間的支撐結(jié)構(gòu)處；外殼與框架的應(yīng)力強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在外殼與框架的連接處。

4.2 低溫環(huán)境下強(qiáng)度校核

在低溫環(huán)境下，按照平均壓強(qiáng)法加載，分別計(jì)算結(jié)構(gòu)在四種工況作用下的應(yīng)力強(qiáng)度，并與許用應(yīng)力強(qiáng)度相比較，結(jié)果如表5示?？梢娫诘蜏丨h(huán)境下，各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，因此該罐式集裝箱在低溫工作時結(jié)構(gòu)安全。

內(nèi)容器的應(yīng)力強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在內(nèi)容器與外殼之間的支撐結(jié)構(gòu)處；外殼與框架的應(yīng)力強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在外殼與框架的連接處。

該文對45英尺LNG罐式集裝箱進(jìn)行了有限元建模，根據(jù)JB/T4781-2005《液化天然氣罐式集裝箱》規(guī)定校核的四種慣性力以及設(shè)計(jì)壓力、液柱靜壓力，對模型進(jìn)行了四種組合工況的加載。

分別校核在常溫和低溫（-196℃）工作環(huán)境下該四種工況的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通過有限元計(jì)算，該罐式集裝箱的應(yīng)力強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，因此該罐式集裝箱在常溫和低溫工作環(huán)境中以及上述四種工況下，結(jié)構(gòu)是安全的。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國船級社.裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范[S].北京：民交通出版社，2005.

[2] 全國鍋爐壓力容器標(biāo)委會.液化氣體罐式集裝箱[S].北京：華社出版社，2005.

[3] 國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.液化氣體鐵道罐車.北京：國標(biāo)準(zhǔn)出版社出版社，2007.

[4] 國家技術(shù)監(jiān)督局.鋼制壓力容器.北京：國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.