惯性力作用下船用液化天然气储罐的应力分析
时间：2021-02-09 20:00:37 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：当前我国处于科技高速发展的阶段，人类对环境利用及索取的程度不断加深。近些年来越来越多的企业对此有更加深刻的认识，更多的渠道和设备对新型清洁能源积极推广和应用。运输行业主要包含水路及陆路运输两个种类。尤其近几年，运输系统中包含外海运输及内河运输在内的水运设备都积极探索清洁能源的应用，比如利用液化天然气对传统能源进行替代，以此达到降低环境污染的目的。船用式液化天然气储罐是一种移动式压力容器，在海运运输过程中，不仅需要承受静载荷，同时还需要负担一定的惯性载荷的力。相比起传统常规模式的计算，使用有限元的方法进行计算对于液化天然气储罐的应力分析计算更加方便有利。因此文中使用ANSYS软件对液化天然气储罐建立模型，对于惯性力作用下储罐进行数值模拟。计算得出的结果为液化天然气储罐的设计制造提供参考和依据。
关键词：惯性力;海洋运输;液化天然气;应力分析
1 引言
随着经济社会的飞速发展，我国对环境的关注度日益提升，习总书记更是提出了“绿水青山就是金山银山”的口号。传统能源主要包含煤炭、石油等，一经燃烧会向大气排放污染类气体，造成严重的环境污染。因此随着近些年来环境问题重视程度的提升，清洁能源的研发及应用被高度关注，其应用范围也不断扩大。所以作为清洁能源大家庭中不可忽视的一员，液化天然气开始走进人们的视野，尤其是交通运输行业，包括汽车领域、船舶领域航空领域等。
作为水运的主要交通工具，各类船舶也纷纷加入清洁能源的行列，逐步推行液化天然气的应用，所以说此项技术的应用及发展受到社会各界的广泛关注和重视。将液化天然气用作燃料替代传统能源，排放物清洁无颗粒，对于河道不会造成污染，因此一定程度起到河流生态环境和大气环境保护的作用。同时它的应用范围十分广泛，不受船只型号的影响和限制，可应用于混合气船、纯天然气船等多种船只类型。所以说，无论是混合天然气还是纯天然气，都可对我国船舶行业的发展起到积极的推动作用。由此，我们有理由相信，天然气动力船舶是当前阶段造船领域发展的基本趋势。
综上所述，船用天然气储罐的安全问题也就摆在了这一领域的中心位置上。此外，我国技术法规为天然气船舶的发展提供相应的规范基础，基于此种背景下，本文主要就液化天然气动力船供气系统中的油箱，也就是船用液化天然气储存罐在惯性力作用下的应力分析进行研究。
2 船用液化天然气储罐的结构及应力
随着各国政府对环境的日益重视，越来越多的装备均在不断推广新型清洁能源的应用，作为水运体系的重要载体，内河船舶或海船也在不断探索采用清洁能源如液化天然气来替代传统能源的有效方式，以降低尾气排放，减少污染。因此本节主要根据中国船级社有关液化天然气燃料的相关规范，着重对船用液化天然气储罐的结构及应力情况进行了研究和阐述。
2.1 船用液化天然气储存罐结构分析
内容器及外壳筒体构成了船用液化天然气储存罐的主要部分，属于一种卧式油气储存设备。其实其本质是一种容器，与普通真空粉末型绝热储槽相比具有较大共同点，一般会使其真空以此绝热，通常要求真空程度符合GB/T18442的标准。容器的其他部分，如内容器，属于储存介质的容器，是整个设备中主要承受压力的部分，通常由奥氏体不锈钢 S30408 制成。通常情况下将集中操作管路的系统安装在储罐外部一端的位置，以实现排液、排气及增压等操作的目的。顶部充装管、气相管、底部充装管、测满管、出液管、回气管液位计气相管等组成了管路整个系统设置。
2.2 船用液化天然气的应力分析
2.2.1 材料许用应力
依据行业要求，船用液化天然气储罐受压壳体的材料，其应力值只能选取奥氏体不锈钢。此外，Rm/2.7 与 Re/1.8中相对较小值为接管许用应力，Rm表示管材室温下最低抗拉强度值，0.2%非比例屈服应力或者管材室温下最低屈服应力则由Re表示。此外，在进行隔热层设计及选材时需对绝热材料防沉降性能进行综合考虑，从而使得船舶震动引发的角色分布不均情况有效降低，进而结霜现象也会随之降低。
2.2.2 工作压力最大允许值
将CCS《天然气燃料动力船舶规范》作为根本依据，压力释放阀最大允许调定值90%以下是其最大允许工作压力值。通常情况下，海船最大允许调定值小于1.0 MPa，内河船最大允许调定值小于1.2 MPa。由此可得出该船舶工作压力的最大允许值，进而对其初步设计设立之进行确定。
2.2.3 储罐应力分析
船用液化天然气储罐除对传统规则设计准则进行采用之外，还需将具体情况作为基本依据，分析罐体及其支撑件的有限预案疲劳及工作强度值。此外，探究管道处于-110℃以下时的热应力，管路设计除了需要对温差应力进行满足以外，还需特别注意一些结构问题，比如是常用于低温容器上接管承插与管座焊接的现象是禁止在船用储罐进行应用的，只可采用对接结构。并且，总体分析结果须通过 CCS 规范的标准审核。
2.2.4 安全监控系统要求
传统天然气具有易燃易爆的基本特征，船用液化天然气属于天然气的一种，所以也不例外具有此类特性，为保障设计施工人员在生产和运输过程中的生命财产安全，需要对其安全性和防爆性能进行实时监测，监控的主要指标项目有液位、压力、温度等。此外，对于溢流阀结构而言，严禁就地直接排放的方式，需将其引入安全地带之后再行排放操作。需将两套独立的压力释放阀设置于储罐，并在储罐安全连接区域或者冷箱中安装外壳防爆装置。
3 运用有限元模型对惯性力作用下船用储罐的应力分析结果
之前在对液化天然气储罐的应力情况进行计算和分析的过程中，会遇到很多得不出结果的情况，尤其是在惯性力作用下，所以本届对有限元模式进行采用，利用有限元模型计算惯性力作用下船用液化天然气的应力状况。运动方向前部封头位置为最大应力区域，168MPa为最大Mises应力。应力由运动方向封头曲率最大位置两端不断降低。拉带结构如承受向前2S加速度则前拉带对压应力进行承受，拉应力由后拉带承受，最大值为96MPa左右。
一般情况下，机械外载荷引发的应力为一次应力，必读对内外力及力矩平衡进行满足。应力与施加重量为正比例关系，也就是说施加重量增加，应力会随之增大，一旦管道塑型区域扩展至极限情况时，即是不增加管道外部所施加的力，管道仍会发生不可逆转的塑性流动情況。管道所有应力包含自重、介质重量、管道承受的内压以及船舶航行产生的组合惯性力等，都隶属于一次应力范围，除此之外的其它受力则为二次应力。通常情况下，只要不进行反复加载情况，二次应力不会造成管道的破坏。
4 总结
本文借助ANSYS软件分析船用液化天然气储罐结构强度，并弹性探究了液化天然气储罐运输途中由于纵向加速度作用下的惯性力，由此不难看出，相比常规设计方式而言，常规设计与有限元相结合的计算分析设计方法其计算结果准确率更高。由分析结果可以得出，如运动方向2倍重力加速时，液化天然气储罐最大应力位置对应运动方前部封头曲率最大的位置，最大Mises应力值高达168MPa。其中固定支撑区域的垫板边缘位置为应力集中的部位。该液化天然气储罐由于受到运动方向的2倍重力加速度惯性条件的作用，各部分应力水平相比材料对应的许用应力均相对较低，此种情况下，完全可保证该储罐的安全使用。
5 结束语
近几年来，清洁能源越发广泛的推广应用，液化天然气作为清洁能源中的关键部门，并运输行业的各个领域广泛应用。对于船用液化天然气储罐而言，其设计和应用也处于不断优化及发展的状态中，其便携性及安全性得到大幅度提升。此外，由技术方面对储罐承压应力能力及安全性能进行了注重改进，旨在为船用清洁能源的利用及开发提供技术铺垫。综合上述所言，完全有理由相信我国船用液化天燃气储罐应用水平将不断提升，希望通过本文的阐述为其提供有效依据。
作者简介：
张磊（1989- ），男，民族：汉，籍贯：江苏省淮安市，工作单位，江苏昆仑东瑞能源有限公司，学历本科，职称，助理工程师，研究方向：液化天然气应用。
王经纬（1990- ），男，民族：汉，籍贯：江苏省南京市，工作单位 江苏昆仑东瑞能源有限公司，学历本科，职称 助理工程师，研究方向：液化天然气应用。
