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双层 C型船用液化天然气燃料罐强度分析探讨 朱星榜， 董金善 ， 姚扬， 卢艳玲 ， 赵宁 南京工业大学 机械与动力工程学院， 江苏 南京2 1 1 8 1 6 摘要 探讨 了液化天然气介质惯性力的三种加载方法。根据船级社相关规范， 给出了不 同工况下 介质惯性力的计算公式， 并利用有 限元软件 A N S Y S对船用双层 c型液化天然气燃料罐在满载静 止、 空载航行、 满载航行等9种工况下进行了强度分析计算。对计算结果进行分析可知 内罐、 外 罐、 夹层支撑 的应力大小及分布状态主要由内压决定； 外罐、 鞍座 、 玻璃钢等的应力状态主要 由惯性 力决定； 内罐是空载、 满载各种工况下燃料罐最危险部件 ； 对鞍座设计时， 应重点考虑满载紧急制动 工况 。 关键词 双层 C型 L N G储罐 ； 介质惯性力； 内压 中图分类号 T H 4 9 ； T Q o 5 2 ． 7 3 ； T H1 2 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 6 0 1 0 0 5 0 0 7 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 8 3 7 ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 0 9 S t u dy o f S t r e n g t h An a l y s i s o f M a r i ne Do ub l e C Ty p e LNG Fu e l Ta n k Z HU Xi n gb a n g， DONG J i ns h a n， YAO Ya n g， LU Ya nl i n g， ZHAO Ni n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d P o w e r E n g i n e e r ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， N a n j i n g 2 1 1 8 1 6， C h i n a Ab s t r a c t L i q u e f i e d n a t u r a l g a s L N Gm e d i u m i s d i s c u s s e d t h r e e m e t h o d s o f l o a d i n e r t i a f o r c e ． A c c o r d i n g t o c l a s s i fi c a t i o n s o c i e t y r u l e s ， g i v e s t h e c a l c u l a t i o n f o r mu l a o f t h e i n e r t i a f o r c e o f me d i u m u n d e r d i f f e r e n t wo r k i n g c o nd i t i o n ． Ap p l y i n g t he ANS YS a n aly s i s s o f t wa r e t o de a l wi t h t h e s t r e n g t h a n a l y s i s o f ma rin e d o ub l e C t y pe L NG f u e l t a n k u n d e r t h e l o a d s t a t i c， r a c i n g t o s a i l ， l o a d e d wi t h n a v i g a t i o n， t he i n t e n s i t y o f 9 k i n d s o f wo r k i n g c o n d i t i o n s ． An a l y z e t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s h o ws t h a t i n n e r t a n k， o u t e r t a n k， s i z e a n d di s t r i b u t i o n a n d s t r e s s o f t h e s a n d wi c h s u p po ma i n l y d e c i d e d b y t h e i n t e r n a l p r e s s u r e． Ou t s i de t h e t a n k． s a dd l e， g l a s s fib e r r e i n f o r c e d p l a s t i c s t r e s s s t a t e i s ma i n l y d e c i d e d b y t he i n e rti a l f o r c e ． Th e i n n e r p o t i s a l l s o r t s o f t h e f u e l t a n k u n d e r t h e c o n d i t i o n o f t h e mo s t d a n g e r o u s p a rt s ． T h e s a d d l e d e s i g n， s h o u l d c o n s i d e r ma i n l y c a r r y i n g e me r g e n c y b r a k i n g c o n d i t i o n ． Ke y wo r d s ma rin e d o u b l e C t y pe LNG f u e l t a n k； i ne rti a f o r c e o f me d i u m ； i n t e r n a l p r e s s u r e 0 引言 随着中国经济发展战略的转型， 对环境保护 要求越来越高。由于对环境 的污染问题 ， 人们正 在寻找能够替代煤 、 石油等传统 能源 的清洁性资 - 50 源。天然气作为新型能源， 具有清洁 、 无污染 、 成 本低等优点， 近年来在能源结 构中的比例逐步提 高。我国天然气进 口量也一 直保持 逐年增加态 势⋯。液化天 然气 L i q u e fi e d N a t u r a l G a s ， 简称 L N G 是将天然气通过低温处理 一1 6 2 c 【 以下 所得到的液相天然气。L N G热值较高 ， 是一种重 第 3 3卷第 1 期 匿 力 容 器 总第 2 7 8 期 要的燃料能源 J 。目前 ， 我国的 L N G动力汽车技 术 已相 当成熟 ， 但在船舶 中将 L N G作为动力燃料 还处于起步 阶段 。近年来 我 国在政策上 加大对 L N G动力船及“ 油改气 ” 船舶进行资金上的补贴 。 2 0 1 4年4月， 财政部、 交通运输部联合颁布的 内 河船型标准化补贴资金管理办法 J ， 明确了对 L N G动力船提供财政补贴 的内容 。由于 L N G燃 料 的经济环保及财政扶持 ， 我国的 L N G燃料动力 船市场迎来快速增长期 J 。 我国 目前设计生产 的 L N G动力或双燃料 动 力散货船大部分是在 内河 区域航行 ， 一般多采用 中小型双层 c型 L N G燃料罐 。本文对双层 C型 L N G燃料罐惯性加载方法进行分析 ， 并利用有限 元软件 A N S Y S 对燃料罐进行模拟分析， 对比分析 内压 、 惯性力在多种复杂工况下对燃料罐各主要 部位 的影响， 有助于工程设计人员在确定设计参 数及燃料罐结构时 ， 能够 明确主要部位应力分布 的影响因素 。 1 介质惯性力加载方法 介质惯性力 的加载通常有 3种方法 等效密 度法 、 冲击载荷法 、 平均压强法 J 。 1 ． 1 等效密度法 等效密度法是将介质惯性力通过附加密度的 方法施加到 内罐上 ， 即将介质 的影 响作为一个等 效的附加质量加到结构振动方程的质量阵中。 P 1 【 式中p 内罐罐体 当量密度 ， k g ／ m 。 p 0 内罐罐体材料密度 ， k g ／ m 内罐罐体材料体积 ， m P 介质密度 ， k g ／ m 介质满载时的体积， 113．。 等效密度法 的优点是计算 简便 ， 只需对 内罐 密度进行调整即可。但这种方法在一定程度上弱 化了内罐实际运行过程中承载介质惯性力区的受 力载荷， 导致计算结果偏小， 不能真实地反映出燃 料罐的实际应力状况 。 1 ． 2冲击 载荷 法 冲击载荷法需要利用有限元软件对介质真实 的晃荡情况进行模拟分析 。常用的分析方法是采 用计算流体力学 中的基于欧拉方法 的 V O F模型 进行模拟 ， 并采用 U D F对边界条件进行 限定。 。 。 由此计算 出内罐壁面静压强 的最大值 ， 将此值作 用于内罐相应 区域 。这种计算方法能够很好地符 合真实情况 ， 但 由于模拟晃荡过程为有 限元动态 分析， 计算量较大， 模拟过程繁琐， 对计算机硬件 和技术人员计算能力要求过 高， 在实际计算 中较 少采用。 1 ． 3平 均压 强 法 平均压强法是将介质惯性力作为面力静载荷 处理 ， 利用满载工况下介质重量和已知的惯性加 速度求得惯性力 ， 将介质惯性力均匀地分布在罐 体垂直于对应的运动方向的投影面上。这种方法 计算简便 ， 并且能够接近真实工况 ， 在工程计算 中 较为常用。这种算法也符合 天然气燃料动力船 舶规范 中惯性力 对应于货物 的惯性力 应均 匀分布在气罐对应运动方 向的投影面上的要求 。 2 惯性力计算 惯性力 的计算与气罐在船舶上的布置方向有 关 。常见的布置方 向有横 向布置 和纵 向布置两 种 ， 如图 1所示。本文中只考虑 C型 L N G燃料罐 在船舶上横 向布置的情况 ， 并进行如下计算。 、 睡 ＼ ，，一 } t 帑 ＼ 一 l j 车 一 - h聿 ／ ＼、 ． 1 ，／ ＼ I ’ ’ 、 一 ＼ ． ／ 、 冀 ＼ 、 、 ／ p 喈 噌； ≤一 q ， ＼、 ／ ＼／ ’、 b 图 1 气罐在船舶上的布置方向 2 ． 1船舶 静止 工 况 此工况下燃料罐无介质惯性力作用 。 51 双层 C型船用液化天然气燃料罐强度分析探讨 V o 1 ． 3 3 N o ． 1 2 0 1 6 2 ． 2 船舶 紧急制动或发生碰撞 工况 此工况下 ， 燃料罐承受运动方向最大额定质 量乘以 2倍的重力加速度的运动惯性力 ] 。 介质惯性力转化为面力静载荷为 p 1 0 2 式中P 介质惯性力 ， MP a g 重力加速度 ， N ／ k g ， 取 g 9 ． 8 N ／ k g 5 内罐简体部分轴向投影面积， m _s 。 内罐封头部分轴向投影面积 ， m 2 ． 3 船舶急速拐 弯或快速 闪躲工况 燃料罐承受同运动方 向呈直角的水平方 向最 大额定质量乘以重力加速度的运动惯性力 内河船 舶 。该载荷为船舶急速转弯时形成的离心载荷。 介质惯性力转化为面力静载荷为 P 1 0一 3 式中Ls 内罐封头部分横向投影面积 ， m 2 ． 4船舶 遭遇 较 大风 浪上 下颠簸 工 况 燃料罐承受垂直向上方 向最大额定质量乘以 重力加速度的运动惯性力或承受垂直向下方 向最 大额定 质 量乘 以 2倍 的重力 加速 度 的运 动惯 性力。 介质惯性力转化为面力静载荷为 p 1 0 4 式 中 o 惯 性 加 速 度， N ／ k g ， 向下 颠 簸 时 a 2 g； 向上颠簸时a一 g s 内罐筒体部分垂向投影面积， m S 内罐封头部分垂向投影面积， m 为探究内压和惯性力对船用 C型 L N G燃料 罐应力分布的影响， 需对燃料罐进行有限元分析 。 计算工况如表 1 所示 。 表 1 计算工况 工况 船舶航行状态 承载状态 ● 1 满载静止状态 内压、 外压 自重 2 满载紧急制动或碰撞 内压、 外压 十自重 运动方向2 g 3 空载紧急制动或碰撞 外压 自重 运动方向2 g 4 满载急速拐弯或闪躲 内压 、 外压 自重 运动方向呈直角 1 g 5 空载急速拐弯或闪躲 外压 白重 运动方向呈直角 1 g 6 满载向下颠簸 内压、 外压 自重 垂直向下 2 g 7 空载向下颠簸 外压 自重 垂直向下 2 g 8 满载向上颠簸 内压 、 外压 自重 垂直向上 l g 9 空载向上颠簸 外压 自重 垂直向上 1 g 3 燃料罐有限元分析 3 ． 1 燃料罐设计参数 选取某 5 m 。 双层 c型船用低温 L N G燃料罐 进行模拟计算。该燃料罐为八点 支撑 内、 外罐结 构， 为阻隔热量的传递， 内外罐间抽真空。内外罐 夹层间采用一端固定 、 一端滑移的八点玻璃钢支 5 2 撑组合连接结构 ， 以此来保证燃料罐在运输过程 中不会因为发生颠 冲而使得内罐和外壳之间发生 相对位移以及结构变形 ， 并避免 了内罐中因充装 了低温的 L N G后发生冷缩从 而拉 断支撑和管线 的现象。玻璃钢支撑一端置于焊接在内容器的固 定结构 内， 另一端插入外壳的固定盖帽内， 并与盖 帽间隙配合 ； 同时采用双鞍座支撑方式 其 中一 个为滑动支座 。燃料罐主要设计参数见表 2 。 第 3 3卷第 1 期 压 力 容 器 总第 2 7 8 期 窒 j 1 1 l 50 7 5 O 0 2 日 窒 1 1 1 1 5 O 75 O 8 0 2 图 7 9种工况一次 二次应力强度 4 6 路 径 d 表 4 Mi s e s 应 力 N P a 部位 工况 1 ／ 2 ／ 3 工况 1 ／ 4 ／ 5 工况 1 ／ 6 ／ 7 工况 1 ／ 8 ／ 9 鞍 座 l 6 ． 0 5 ／ 7 8 ． 0 3 ／ 7 7 ． 4 6 1 6 ． 0 5 ／ 5 7 ． 7 2 ／ 5 7 ． 8 7 1 6 ． 0 5 ／ 4 O ． 2 3 ／ 3 9 ． 3 1 6 ． 0 5 ／ 1 7 ． 7 5 ／ 1 8 ． 1 6 玻璃钢 1 3 ． 6 9 ／ 3 8 ． 0 9 ／ 3 6 ． 6 8 1 3 ． 6 9 ／ 2 4 ． 5 8 ／ 2 4 ． 0 9 1 3 ． 6 9 ／ 1 3 ． 6 6 ／ 1 5 ． 4 5 1 3 ． 6 9 ／ 2 1 ． 3 7 ／ 2 1 ． 5 2 3 ． 2 ． 4 计算结果分析 通过对结果数据进行分析 ， 可 以看 出惯性力 对内罐 、 支撑部位影响很小。内罐 、 支撑部位的应 力大小及分布状况基本 由内压决定。仅承受 内压 工况的满载静止工况与内压惯性力同时作用的满 载正常航行工况下内罐、 支撑部位薄膜应力、 一次 应力 二次应力相差均在 5 ％ 以内。并且内罐危 险点出现的部位基本相 同， 最大危险点均 出现在 内罐筒体与封头连接处和筒体与玻璃钢支撑连接 处之间的区域。这主要是由于两结构不连续区域 产生的边缘效应影响区域重叠 ， 边缘效应 明显 ， 这 种应力属于局部薄膜应力 ， 具有一定的 自限性 ， 体 现了二次应力的特点 ， 但若将其归为二次应力 ， 由 于该薄膜应力是 由内压和局部不连续等产生 的薄 膜应力 ， 有一次应力作用的效应 ， 将其归为二次应 力 ， 可能会导致危险的后果 。因此 ， 为了具有较高 的安全裕度 ， 仍将其划为一次应力 。满载正常航 行工况下夹层支撑部位薄膜 应力 、 一次应 力 二 次应力与满载静止工况的计算结果基本相同。而 惯性加速度引起 的应力很小 ， 这主要是 由于外筒 体通过夹层支撑结构与内罐连接。 对于外罐 ， 空载工况 只施加惯性力 ， 无 内压 作用 的薄膜 应力、 一次应力 二次应力与满载 正常航行工况 内压 和惯性力 同时作用 的应力 结果基本吻合 ， 两者之间的差别均在 3 ％以内， 而 满载静止工况的薄膜应力与满载正常航行工况的 薄膜应力均有较大差别 。可 以看出外罐的应力主 要由惯性力决定。外罐的最大应力点出现在环氧 玻璃钢支撑与外筒体相接区域。各工况下外罐应 力均处于较低水平 ， 在设计时外罐不需要太厚 ， 但 由于承受外压 ， 一般需进行屈曲稳定性分析计算 。 鞍座和环氧玻璃钢等部位的 Mi s e s 应力主要 由惯性力所决定 ， 其相 差在 4 ％左右。并且 可以 看出， 对于鞍座 、 玻璃钢等支撑结构 ， 满载静止工 况下其应力水平较低 ， 惯性加速度 的改变对应力 影响明显 。 4结论 通过对 C型船用 L N G储罐满载静止工况、 满 载航行工况 、 空载航行工况等 9种工况进行有限 元模拟计算分析 ， 得出如下结论 1 内压主要影响 内罐 、 夹层支撑部位的应 力 ， 惯性加速度发生变化时， 内罐的最大危险点及 5 5 径 4 蹦 ㈤ C P V T 双层 C型船用液化天然气燃料罐强度分析探讨 V o L 3 3 N o ． 1 2 0 1 6 大小基本不发生变化。内罐应力分布由内压及局 部结构不连续决定， 惯性力影响很小。 2 惯性力主要影响外罐、 鞍座 、 玻璃钢等 区 域的应力大小 ， 有无 内压作用应力相差在 3 ％ 以 内， 在实际工程设计 中， 外罐、 鞍座 、 玻璃钢的尺 寸 、 结构应主要考虑惯性力作用 ， 内压对其影响较 小 ， 可作为次要影 响因素考虑 。但一般对外罐应 进行屈曲分析 ， 以保证其稳定性。 3 燃料罐 最大 应力危 险点均 出现在 内罐 上 ， 因此在对燃料罐进行设计 时， 应保证 内罐有足 够的厚度 ， 防止 出现强度不够。 4 满载航行过程 中， 紧急制动 碰撞 、 急速 拐弯 躲 闪 、 向上颠 簸 、 向下颠簸 4种工 况， 内 罐、 支撑部位的应力水平基本相同， 外罐、 玻璃钢 等有所差别 ， 但均处于低应力状态。而鞍座应力 水平相对较高， 尤其是紧急制动 碰撞 状态， 需 对惯性力的影响进行详细分析。 参考文献 [ 2 ] 陈永东． 大型 L N G汽化器的选材和结构研究 [ J ] ． 压力容器， 2 0 0 7 ， 2 4 1 1 4 O一 4 7 ． S a fi s h K u ma r ， H y o u kT a e Kw o n， K w a n gHo C h o i ， e t a 1 ． A n e c of ri e n d l y c r y o g e n i c f u e l f o r s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t [ J ] ． A p p l i e dE n e r g y ， 2 0 1 1 ， 8 8 1 2 4 2 6 4 4 2 7 3 ． [ 3 ] 中华人民共和国财政部， 交通运输部． 内河船型标 准化补贴资金管理办法[ z] ． 财建[ 2 0 1 4 ] 6 1 号． [ 4 ] 谭月静， 黄学武． 内河柴油／ L N G双燃料动力船舶发 展现状及建议[ J ] ． 水运管理， 2 0 1 3 ， 3 5 2 3 9 4 2 ． [ 5 ] 刘雪梅， 钱才富． 罐式集装箱惯性载荷加载方式的 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日期 2 0 1 5 0 91 6 修稿 日期 2 0 1 6一 O 1 0 4 作者简介 罗龙清 1 9 8 5一 ， 男 ， 工程师， 压力容器检验 师， 主要从事无损检测和压力容器检验技术研究工作， 通 信地址 2 3 0 0 4 1安徽省合肥市包河工业区大连路4 5号安 徽省 特种设 备检 测 院 7 1 1室 ， Em a i l l u o l o n g q i n g ali y u n． c o mo