液化天然气储罐大角焊缝区域应力影响因素.pdf

第 4 3卷第 2期 2 0 1 4年 3月 石油化工设备 P ETRo- CHEMI C AL E QUI PMENT Vo 1 ． 4 3 NO ． 2 M a r ． 2 0 14 文章编号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 4 0 2 0 0 1 4 0 5 液化天然气储罐大角焊缝区域应力影响因素 樊玉光 ，陈嘉耀 ，张斌 李伟权 ，王林阳。 1 ． 西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安7 1 0 0 6 5 ； 2 ． 中国石油工程公司 新疆设计院 ，新疆 克拉玛依8 3 4 0 0 0 摘要利用 A NS Y S对 1 6万 全容式液化天然气储罐金属 内罐应力最大、 最危险的大角焊缝区域 建立参数化模型分析其安全性， 通过计算得到 了不 同罐底边缘板厚度、 边缘板外伸长度、 焊缝 内坡 口 尺 寸 以及 内侧 角焊 缝焊脚长度 的应 力分布 曲线 。结果表 明， 在 一定范 围内改变 以上 4个尺 寸 ， 可以不 同程度地改变其大角焊缝的最大应力和薄膜应力。据此给出了这 4个尺寸的取值范围。 关键 词 储罐；液化天然气；焊缝；应力分析 中图分 类号 T E 9 7 2 ． 1 ；T Q 0 5 0 ． 2 文献标志码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 7 4 6 6 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 0 4 Re s e a r c h o n S t r e s s I n f l u e n c i n g Fa c t o r s o f S he l l t o - b o t t o m Fi l l e t W e l d Re g i o n s o f Li q u e f i e d Na t u r e Ga s Cr y o g e ni c Ta n k F A N Y u ‘ g u a n g ， C H E N J i a - y a o ， Z H A N G B i n ， L I We i - q u a n ， WAN G L i n y a n g 2 1 ． Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e ，Xi ’ a n S h i y o u Un i v e r s i t y，Xi ’ a n 7 1 0 0 6 5 ，Ch i n a ；2 ． Xi n j i a n g De s i g n I n s t i t u t e o f Ch i n a P e t r o l e u m En g i n e e r i n g De s i g n C o ．L t d ．，Ke l a ma y i 8 3 4 0 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t I n a l i q u e f i e d n a t u r e g a s LNGc r y o g e n i c t a n k wi t h a v o l u me o f 1 6 0 t h o u s a n d m。 ， t h e s h e l l t o b o t t o m f i l l e t we l d i s o n e o f t h e b i g g e s t s t r e s s a n d mo s t d a n g e r o u s a r e a s． I n o r d e r t o a n a l y z e t h e s e c u r i t y，u s i n g ANS YS t o e s t a b l i s h t h e p a r a me t e r i z e d mo d e 1 O f s h e l l - t o - b o t t o m f i l l e t we l d，a n d t h e n t h r o u g h c a l c u l a t i n g，t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n r e s u l t s a n d s t r e s s i n f l u e n c i n g c u r v e o f t we n t y t h r e e k i n d s o f mo d e l s a r e o b t a i n e d u n d e r t h e s i t u a t i o n o f d i f f e r e n t t h i c k n e s s a n d o v e r h a n g l e n g t h o f a n n u l a r p l a t e ，d i f f e r e n t s i z e s o f t h e i n n e r we l d b e a d b e v e l a n d t h e d i f f e r e n t l e n g t h s o f f i l l e t we l d ．Th e r e s u l t s h o ws t h a t i n a c e r t a i n r a n g e ，c h a n g i n g t h e s i z e s o f t h e a b o v e f o u r a s p e c t s c a n c h a n g e t h e b i g g e s t s t r e s s a n d me mb r a n e s t r e s s o f s h e l l t o b o t t o m f i l l e t we l d a t d i f f e r e n t l e v e l s ，a n d a t t h e s a me t i me g i v i n g t h e r e c o mme n d e d v a l u e r a n g e s o f t h e f o u r s i z e ． Ke y wo r d s t a n k；l i q u e f i e d n a t u r e g a s ；s h e l l t o b o t t o m f i l l e t we l d；s t r e s s a n a l y s i s 液化天然气 L i q u e f i e d Na t u r e G a s ， L NG 储罐 运行时为微正压低温状态 ， 与原油储罐相 比， L NG 储罐具有低温特性。大型储罐 的大角焊缝 区域 储 罐壁板与底板之间的焊缝区域 是储罐最危 险的区 域之一 ， 国内外均有大型储罐 因大角焊缝处发生脆 裂事故的报道。文中研究的 L NG储罐为全容式储 罐， 主要 由预应力混凝 土外罐、 9 Ni 钢 内罐 、 吊顶 以及保冷材料等组成 ， 在正常运行工况下的温度为 一 1 6 5℃。L NG储罐内罐壁 的外侧有保温层 ， 其结 构相对原油储罐结构更加复杂 ， 因此 ， 了解 L NG储 罐大角焊缝的应力分布 ， 有效降低大角焊缝处的应 力水平十分重要。 为此， 笔者通过数值模拟分析 了大型 L NG 低 温储罐罐底边缘板 的厚度、 边缘板外伸长度 、 内坡 口 尺寸及 内侧角焊缝焊脚长度对大角焊缝 区域处应力 分布的影响。 收稿 E t 期 2 0 1 3 1 1 0 8 作者简介 樊玉光 1 9 6 4 一 ， 男 ， 山西翼城人 ， 教授 ， 硕士， 从事化工过程机械方面的教学及研究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 4年第 4 3 卷 处的约束 ， 因而在罐壁下端 的局部范围内产生纵 向 弯 曲应力。罐底板在静液作用下 的轴 向位移受到罐 壁连接处的约束 ， 因而在罐底大角焊缝的局部范 围 内产生径向弯曲应力。 2结构尺寸对大角焊缝应力的影响 2 ． 1 定义分析路径及网格划分 L N G储罐大角焊缝进行应力分析的各路径 以 及网格的划分见 图 5 。图 5中， 路径 1方 向上的薄 膜应力代表沿截面厚度均匀分布 的应力成分 ， 等于 沿所考虑截面厚度的应力平均值 ， 因此路径 1的薄 膜应力与最大等效应力都可以作为大角焊缝应力分 析的参考依据 。 图 5 L NG储罐大角焊缝区域各应力分析路径 2 ． 2罐底边缘板厚度 不 同罐底边缘板厚度与大角焊缝应力的变化曲 线见 图 6 。从 图 6中可 以看 出 ， 增 大 罐 底 边 缘 板 的 厚度 ， L N G储罐大角焊缝的最大等效应力以及各个 路径的薄膜及弯曲应力都呈减小的趋势。边缘板厚 度从 1 2 mm 增 大 到 2 2 ml T l ， 等 效 最 大 应 力 从 5 4 5 ． 7 8 MP a 下降到 4 1 5 ． 2 9 MP a ， 降幅为 2 4 ， 同时 路径 1方 向 的 罐 底 边 缘 板 轴 向 薄 膜 应 力 从 5 9 ． 1 6 MP a 降到 3 7 ． 3 4 MP a ， 降幅为 3 7 ， 当罐底边 缘板的厚度增加到 2 6 1 T t l r t 时， 大角焊缝 的最大位移 点偏移到储罐外侧 ， 再增加罐底边缘板 的厚度没有 意义。路径 2和路径 3的薄膜应力及薄膜加弯曲应 1 l O O 1 0 0 0 9 0 0 8 0 0 7 0 0 6 0 0 皇5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 O O O 等效最大应力 路径1 薄膜应力 _ 1 路径 1 薄膜加弯 曲应力 十路径2 薄膜应力 ● 一路径2 薄膜加弯曲应 力 ． ． 一路径3 薄膜应力 路径3 薄膜加弯曲应力 1 0 1 2 l 4 l 6 l 8 2 0 2 2 边缘板厚度／ mm 图 6 罐底边缘板厚度对大角焊缝应力水平 的影响 力随着罐底边缘板厚度的增加 ， 降幅很小。 2 ． 3边缘板外伸长度 不 同边缘板外伸长度与大角焊缝应力的变化曲 线见图 7 。从图 7中可 以看出， 增加罐底边缘板 的 外伸长度 ， L NG储罐大角焊缝的最大等效应力以及 各个路径的薄膜及弯 曲应力都呈减小的趋势。外伸 长度 从 5 0 ml T I到 1 1 0 mm， 等 效 最 大 应 力 值 从 5 3 8 ． 8 2 MP a 降到 4 8 4 ． 7 2 MP a ， 降幅为 1 0 ； 路径 1 方向的 罐底边缘板轴 向 薄 膜应力从 5 7 ． 3 6 MP a 降为 4 2 ． 8 9 MP a ， 降幅为 2 5 。在罐底边缘板外伸 长度超过 1 1 0 mm以后 ， L NG储罐大角焊缝的最大 等效应力及薄膜应力基本趋于平稳。路径 2 和路径 3的薄膜应力及薄膜加弯衄应力随着罐底边缘板外 伸长度的增加 ， 降幅很小 。 l l 0 O 1 0 0 0 9 0 0 8 0 0 7 0 0 6 0 0 兰 5 0 0 4 0 0 』 3 0 0 2 0 0 l 0 0 0 等效最大应力 路径1 薄膜应力 _ 1 ． r 一路径 1 薄膜加弯曲应力 十路径2 薄膜应力 路径2 薄膜加弯曲应力 路径3 薄膜应力 _◆-路径3 薄膜加弯曲应力 4U 60 80 l 00 l ZU 罐底边缘板外伸 长度／ ra m 图 7 罐底边缘板外伸长度对大角焊缝 应力水平的影响 2 ． 4坡 口尺寸 不同内侧大角焊缝的坡 口尺寸与大角焊缝应力 的变化曲线见 图 8 。从 图 8中可以看 出， 增大内侧 1 1 O 0 1 00 0 9 0 0 等效最大应力 路径1 薄膜应力 ． r 一 路径1 薄膜加弯曲应力 十路径2 薄膜应力 路径2 薄膜加弯曲应力 路径3 薄膜应力 路径3 薄膜加弯曲应力 3 4 5 6 7 焊缝内坡口尺寸／ mm 图 8 不 同内侧大角焊缝坡 口尺寸对大角焊缝 应力水平的影响 0 0 0 0 O O 0 0 O 鲫 砌 ∞ 如 如 加 姜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 樊玉光 ， 等 液化天然气储罐大角焊缝 区域应 力影响因素 角焊缝的坡 口尺寸 ， L NG储罐大角焊缝的最大等效 应力以及各个路径的薄膜及弯曲应力都呈减小的趋 势。坡 口尺寸从 4 mm 到 7 mm， 等效最大应力值从 4 9 8 ． 0 5 MP a降到 4 6 8 ． 0 5 MP a ， 降 幅为 6 。考虑 到实际焊接过程 中， 7 mi l l 以上 的坡 口尺寸焊 接有 一 定的难度 ， 7 mm 以上 的坡 口不作 分析。路径 2 和路径 3的薄膜应力及薄膜加弯曲应力随着内侧大 角焊缝 坡 口尺 寸 的增加 ， 降幅很 小 。 2 ． 5 焊脚长度 不同焊脚长度与大角焊缝应力的变化曲线见图 9 。从 图 9中 可 以看 出 ， 增 大 内侧 角 焊 缝 的焊 脚 长 度 ， L NG储罐大角焊缝的最大等效应力 以及各个路 径的薄膜及弯曲应力都呈减小的趋势。焊脚长度从 1 0 mm 到 1 6 mm， 等效最大应力值从5 5 7 ． 4 3 MP a 降 到 4 6 6 ． 7 1 MP a ， 降幅为 1 6 ， 路径 1方向的 罐底 边 缘 板 轴 向 薄 膜 应 力 由 6 3 ．2 5 MP a 降 到 4 8 ． 8 7 MP a ， 降幅为 2 3 。在焊脚长度超过 1 3 mm 以后 ， 等效最大应力 的降幅明显变缓。路径 2和路 径 3的薄膜应力及薄膜加弯曲应力随着 内侧大角焊 缝焊脚长度的增加 ， 降幅很小。 等效最大应力 路径1 薄膜应力 路径1 薄膜加弯曲应力 十路径2 薄膜应力 路径2 薄膜加弯 曲应力 路径3 薄膜应力 路径3 薄膜加弯 曲应力 9 l 0 l 1 l 2 1 3 l 4 l 5 1 6 内侧角焊缝焊脚长度／ ram 图 9 内侧大角焊缝焊脚 长度对大角焊缝 应力水平 的影响 3 结 论 1 罐底边缘板的厚度对 1 6万 m。 L NG储罐大 角 焊 缝 的 应 力 影 响 较 大 ， 罐 底 边 缘 板 的 厚 度 从 1 2 I n m增加到 2 2 mm 时， 大角焊缝的最大等效应力 可降低 2 4 ， 路 径 1方 向上 的薄 膜 应 力 可 降 低 3 7 。当罐底边缘板厚度增大到 2 6 mm 时， 大角焊 缝的最大应力点会偏 移到罐壁外侧 ， 已没有研究的 意义 ， 推荐取值为 1 6 mm。 2 罐底边缘板的外伸长度对 1 6万 m。 L NG储 罐大角焊缝 的应 力影 响较大 ， 边缘 板外 伸 长度从 5 O mm增加到 1 1 0 mm 时， 大角焊缝 的等效最 大应 力可 降低 1 0 ， 路 径 1方 向 的薄 膜 应 力 可 降低 2 5 9 ／ 6 。但在边缘板外伸长度超过 1 1 0 mm 之后 ， 降 幅明显变缓 ， 推荐取值为外伸 1 0 0 mm。 3 增加 内侧角焊缝的焊脚长度和 内坡 口尺寸 均可有效降低大角焊缝 区域 的等效最大应力 ， 但焊 脚长度的增 加以及 内坡 口尺寸 的改 变有一定 的限 制 ， 焊脚长度推荐取值 为 1 3 mm， 内坡 口推荐取值 为 6 mm。 4 边缘板的厚度和边缘板 的外伸长度对大角 焊缝 的应力及制造材料 的消耗量都有较大影响 ， 在 设计 中应 充 分考 虑 。 参考文献 [ 1 ] 孙恒 ， 余霆 ， 马文华 ， 等．L NG大 型储 罐角 保冷块处 温 度场的有限元 分析 E J ] ． 低 温与 超导 ， 2 0 1 0 ， 4 3 8 1 5 1 7 ． S UN He n g，YU Ti n g ，M A W e n - h u a ， e t a 1 ．FEM A n a l y s i s o f t h e Te mpe r a t ur e Di s t r i b ut i on o f t h e TCP of a L NG Ta n k[ J ] ． C r y o g e n i c s a n d s u p e r c o n d u c t i v i t y ， 2 0 1 0， 4 3 8 1 5 - 1 7 ． E 2 ] 袁 中立 ， 闫伦 江． L NG低 温 储 罐 的设 计 及 建 造 技 术 F J ] ． 石油工程建设 ， 2 0 0 7 ， 5 4 3 4 3 6 ． YUAN Z h o n g l i ，YAN Lu n - j i a n g ．L NG S t o r a g e De 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d e d S t e e l De s i g n D i s c u s s i o n o n t h e I s s u e s[ J ] ． Qi L u P e t r o c h e mi c a l Te c h n o l o g y ，2 0 0 1， 2 9 3 2 4 8 2 5 1 ． 1- 6 ] 王国平 ， 陈学东 ， 王 冰． 超 低碳 9 Ni 钢焊 接接 头低温 韧 性 I- J - I ． 焊接学报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 3 3 7 ～ 4 0 ． 0 0 0 O O O 0 O 0 O O O 0 加 m ∞ ∞ 加 ∞ ∞ ∞ ∞ 加 m B d W， R 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 3卷第 2 期 2 0 1 4年 3月 石油化工设备 P ETRO CHEMI CAL EQUI PMENT Vo l _ 4 3 NO ．2 M a r ． 2O1 4 文章 编 号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 4 0 2 0 0 1 8 0 4 不 同定性温度下板式 热交换器性能测试 结果分析 何 娜 ，周 文学 ，顾生斌。 ，姬茹一 ，徐永 明 ，谢广斌。 1 ． 国家石油钻采炼化设备质量监督检验 中心 ，甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0 ； 2 ．西气 东输 管道公 司 赣湘管理处 ，湖北 武汉4 3 0 0 7 3 ； 3 ． 中国石油 大连石 化公 司 ，辽宁 大连 1 1 6 0 3 3 摘要 通过分 析 不 同定 性温度 下 流体物性 对板 式 热 了 同一 台板 式热 交换 器在 不 同定性 温度 下 的传 热 系 在不同定性温度下测试结果的比较提供参考。 交换 器性 能的影 响 ， 结合测 试准 则方 程式 ， 给 出 数 及压 降的 转化 方 法 ， 该 法可 为板 式 热 交换 器 关 键词 板式热交换器；传热系数；压降；定性温度 ； 分析 中图分 类号 T Q0 5 1 ． 5 0 1 ；TE 9 6 5 文献标 志码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． i 0 0 0 7 4 6 6 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 0 5 Re s u l t Co mpa r i s o n o f t h e Pl a t e He a t Ex c ha ng e r s Pe r f o r m a nc e a t Di f f e r e n t Qu a l i t a t i v e T e mp e r a t u r e HE Na 1．ZHOU W e n x u e ，GU Sh e ng - bi n ，JI Ru y i ，XU Yo ng mi ng ，XI E Gua n g - bi n 1 ．Na t i o n a l Ce n t r e o f Oi l Dr i l l i n g a n d Re f i n i n g Eq u i p me n t Qu a l i t y S u p e r v i s i o n I n s p e c t i o n， La n z hou 7 3 0 05 0，Chi na；2 ． Ga nx i a ng Ad m i n i s t r a t i v e De p a r t me nt o f W e s t Ea s t Ga s Pi p e l i n e。W u ha n 4 3 0 07 3，Ch i na；3 ． Da l i a n Pe t r oc he m i c a l Co ． o f CNPC，Da l i a n 1 1 6 0 33，Chi n a Ab s t r a c t An a l y z i n g t h e i n f l u e n c e t h a t p h y s i c a l p r o p e r t y o f t h e f l u i d i mp a c t o n h e a t e x c h a n g e r s D e r f o r ma nc e a t di f f e r e nt qu a l i t a t i v e t e m p e r a t u r e，a me t hod i s gi v e n o f t he h e a t t r a ns f e r c o e f f i c i e n t a n d p r e s s ur e dr o p a t di f f e r e nt q u a l i t a t i ve t e m p e r a t u r e c on s i de r wi t h ma t he ma t i c a l e x pr e s s i on， wh i c h Dr O V i d e t he or e t i c a l b a s i s of t he r e s u l t c o mpa r i s o n a t di f f e r e nt qu a l i t a t i v e t e m p e r a t u r e ． Ke y wo r d sp l a t e h e a t e x c h a n g e r ；h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t ；p r e s s u r e d r o p；q u a l i t a t i v e t e mp e r a t ur e；a n a l ys e [ 7 ] [ 8 ] W ANG Gu o p i n g，CHEN Xu e - d o n g，W ANG B i n g ． Ul t r a - l o w Ca r b o n 9 Ni S t e e l We l d e d J o i n t s a t L o w T e mp e r a t u r e[ J ] ． Tr a n s a c t i o n s o f t h e C h i n a We l d i n g I n s t i t u t i o n，2 0 0 8， 2 9 3 3 7 - 4 0 ． 贺字 ， 杨梅． 液化天然气 的应用和 国际贸易[ J ] ． 天 然气 与 石 油 ， 2 0 0 5， 2 3 2 1 - 5 ． H E Yu，YANG Me i ．LNG Appl i c a t i on s a nd I nt e r na t i o n a l Tr a d e I- J ] ． N a t u r a l Ga s a n d O i l ，2 0 0 5 ， 2 3 2 1 5 ． G B 5 0 3 4 1 --2 0 0 3 ， 立式 圆筒 型钢制 焊接 油罐设 计规 范 I s ] ． GB 5 0 3 4 l 2 0 0 3 ， Ve r t i c a l Cy l i n d r i c a l W e l d e d S t e e l ” -- 4--“- 一 T a n k D e s i g n S p e c i f i c a t i o n[ S ] ． E 9 2 王红光 ， 崔金东． 大 型双壳低温储罐 的设计特 点[ J ] ． 石 油化工设备技术 ， 2 0 1 0 ， 3 1 4 7 - 8 ． W ANG Ho n g g u a n g，CUI J i n - d o n g ． La r g e Do u b l e Hu l l D e s i g n F e a t u r e s o f C r y o g e n i c T a n k s [ J ] ．P e t r o c he mi c al Eq ui pme n t Te c hno l ogy，201 0， 3 1 4 7 - 8 。 [ 1 O ]周永春 ， 刘浩． L NG低温储 罐绝 热性 能 的探究 [ J ] ． 化 工 设 计 ， 2 0 1 0， 2 0 2 1 7 1 9 ． ZH0U Yon g c hun， L1 U H a o ． LNG St or a g e The r ma l I n s u l a t i o n I n q u i r y [ J ] ．C h e mi c a l E n g i n e e r i n g D e s i g n ， 2 O 1 0， 2 O 2 1 7 - 1 9 ． 杜编 收稿 日期 2 0 1 3 0 9 2 6 作 者简 介 何娜 1 9 7 9 一 ， 女 ， 甘肃敦煌人 ， 工程 师 ， 硕士 ， 现从 事热 交换器性能测试相 关工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m