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中压天然气罐式半挂车罐体的设计和安全使用

文档作者: 王会赏 李毅飞        文档来源: 1.石家庄安瑞科气体机械有限公司 2西安交通大学能源与动力工程学院
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TECHNIC FORUM/技术论坛I 2012103 中压天然气罐式半挂车罐体的设计和安全使用 Design and Safe Application of Mid-pressure Natural Gas Semi-trailer Tank 王会赏’ 李毅飞 W ANG Hui-shang et al 1.石家庄安瑞科气体机械有限公司 河北石家庄050061 2.西安交通大学能源与动力工程学院 陕西西安 710048 摘要:针对目前压缩气体运输半挂车没有国家和行业标准的问题,利用ANSYS仿真分析软件对天 然气罐式运输半挂车罐体进行了有限元应力分析,介绍了中压天然气罐式运输半挂车罐体的设计思 路,提出了保证安全使用的建议。 关键词:半挂车永久气体疲劳载荷载荷工况 Abstract There is no national and industry standard at present, SO finite element analysis have been done using ANSYS simulation software for mid—pressure natural gas semi—trailer tank,and the design thought was introduced and the suggestions to guarantee the safe application of mid·-pressure natural gas semi·· trailer tank was put forward. Key words semi—trailer;permanent gas;fatigue load;load case 中国分类号:U469.5 3.O2 文献标识码:B 文章编号:1004—0226(2012)03—0076—03 1 刖置 西气东输管线上的天然气压力一般不大于4 MPa,属于中压天 然气。目前,天然气运输多采用经压缩机压缩至高压大容积钢质 无缝气瓶内盛装,并安装于半挂车行走机构上运输。由于压缩机 投资大,且压缩工序繁杂,增大了使用成本和时间成本。如果管 线中的天然气不经过压缩机压缩而直接采用高压大容积气瓶运 输,则带来了原始投资和运输成本的增大;如果采用4 MPa大容积 气瓶,则因工作压力不高,瓶壁应减薄至3.5 rnrfl以下便可满足使 用要求,但如此薄的大容积气瓶无法采用热旋压工艺加工成型; 如果选用小容积气瓶运输,则容重比减小,泄露点增加,运输效 率降低而浪费能源。因此,开发适合于中压天然气罐式半挂车成 为必然。 天然气的主要成分是甲烷,属于永久气体,永久气体汽车罐 车是目前一种新兴产品,在设计制造与使用方面与液化气体罐车 有着诸多区别,因国家尚未制订关于压缩气体运输半挂车的标准 和规范,必须有针对性地加以研究,正确设计,合理使用,才能 保证永久气体罐式半挂车的安全运营。 2一般要求 天然气罐式运输半挂车设计主要包括两部分:行走机构和罐 体的设计。天然气罐式半挂车设计时,外廓尺寸及轴荷必须符合 GB 1589—2004的要求 ,两轴罐式半挂车总长不得大于13 m,总 宽不得大于2.5 m,总高不得大于4 m,总质量不得大于35 t,且应 第一作者:王会赏,女,1966年 生,高级工程师,主要从事长管 拖车、汽车罐车、气瓶等压力容 器研发工作。 合理布置罐体及附件,双后轴最大轴荷不得超过1 8 t,且满足操作 和运输要求,保证安全可靠。 天然气罐式半挂车(含罐体)属于特种设备中的移动式压力容 器 ,受《压力容器安全技术监察规程》监察,因此,须遵守规程 的要求。另外,行走机构和罐体的连接也必须合理布置,通过计 算,保证连接结构的强度和运营的安全。 3罐体的设计 罐体是天然气运输半挂车承受内压和运输时惯性力的主要部 件,在每次装卸过程中,罐体一般经过0.1N4 MPa的压力循环, 属于承受疲劳载荷的压力容器,因此,设计时应采用有限元应力 分析方法,按照JB 4732标准对罐体进行整体强度计算和校核。 3.1材料的选择 罐体的选材应选用《锅炉和压力容器用钢板》中的材料,在 我国南方地区使用的天然气运输车,一般使用温度高于一20~C, 选用Q345R钢材即可:而在我国北方地区因冬季温度有时会低于 一20~C,且在卸气过程中会出现降温的现象,故应选用 1 6MnDR,以满足低温工况,保证材料低温韧性要求。 3.2考虑各种载荷及工况 3_2_1 3种载荷 设计时,须考虑3种载荷。 a.内压载荷:因罐体须承受0.1N4 MPa疲劳载荷,因此罐体 的结构设计应符合JB 4732的规定,进行设计压力4.1 MPa应力分 析和循环压力0.1N4 MPa的疲劳评定; b.自重载荷:包括罐体及正常工作条件下充装天然气后的重 力载荷: c.惯性载荷:天然气半挂车在运输过程中的惯性载荷。 3_2.2 4种载荷工况 设计时,除应考虑罐体因内压变化引起的疲劳载荷91、,还应 校核在运营过程中惯性载荷下的4种载荷工况 。 工况1:内压+自重+沿运动方向(纵向)、大小为额定质量乘 以两倍重力加速度的惯性力: 工况2:内压+自重+沿与运动方向成直角的水平方向、大小 为额定质量乘以一倍重力加速度的惯性力; 工况3:内压+沿垂直向上方向、大小为额定质量乘以一倍重 力加速度的惯性力; 工况4:内压+沿垂直向下方向、大小为额定质量乘以两倍重 力加速度的惯性力。 3.3有限元分析模型建立及确定 3.3.1定义材料属性 材料选用Q345R,该材料的弹性模量 2.0×10 MPa; 泊松 比 =0_3;密度p=7.85×10 kg/m ;设计应力强度[ ]=188 Mpa; 屈服强度[Cro 1=325 MPa。 3.3.2内压和内压引起的疲劳载荷 按照JB 4732要求 ,取计算压力4.1 MPa,对简体和封头进行 设计计算,确定计算厚度。对于受内压载荷的总体元件封头、筒 体,其厚度是按JB 4732的有关公式计算并向上圆整得到,一次总 体薄膜应力强度已得到保证,可不再进行应力强度校核,仅对凸 缘与壳体连接的几何不连续区域采用有效厚度建立局部实体模 型。采用ANSYS有限元程序,20节点实体单元(SOLID95)进行网 格划分,厚度方向划分为3层。施JJD4.1 MPa内压及相应约束后进 行有限元求解,经应力线性化后,进行不连续处的应力分析; 同 时,对应力最大点进行疲劳评定。 3.3.3 惯性载荷下的4种工况 对于4种载荷工况中的工况1(纵向)、工况3(垂直向上)、工况 4(垂直向下), 由于结构及载荷对于轴线在竖直方向的垂直面对 称,因此,可以取竖直方向1/2的罐体及行走机构进行实体建模分 析;对于工况2(横向)承受的载荷为非轴对称,需用罐体及行走机 构整体建模 。由于凸缘不连续区域应力对惯性动载荷引起的应力 影响极小,可以忽略,因此,4种工况均可忽略凸缘结构。需要考 虑的各个元件,均采用有效厚度作为建模厚度。应力分析采用 ANSYS有限元程序,罐体采用20节点SOLID95实体单元进行网格 划分;行走机构简化为刚性梁和弹簧单元,力边界条件的施加: a.对于工况l、3~fl4,在垂直剖面上施加对称边界条件; b.在鞍座的底板中心施加ux、uY、UZ约束;模拟行走的弹 簧单元下节点施]j~uY、UZ约束(半挂车前行方向不必约束); TECHNIC FoRuM/技术论坛1 2012/03 C.对模型分别施加与各工况方向、大小一致的加速度; d.对模型施加与罐体轴线方向垂直向下的加速度,大小为 g=9.81 m/s ,相当于罐体的重力(工况3、4除外): e.罐体的内表面施加内压为4.1 MPa。 3.4惯性载荷工况下的应力分布 罐体(含罐体前、后支座支撑)结构简图如图1N示。施加力边 界条件后,按4种载荷工况分别求解,可得出相应的SINT应力云 图,如图2N4。 前支座 凸缘 后支座 人孔 B—B 囤1罐体结构简图 S T=515.239 1.052 1 15.316 229.58 343.844 458.107 58.184 172.4 8 286.712 400.976 515.239 图2工况1应力分布云图 1.044 170.734 340.425 510.1 15 679.806 85.889 255.579 425.27 594.961 764.651 图3 工况2应力分布云图 S rIl597.798 133.661 266.272 398.882 531.492 67.356 199.966 332.577 465.187 597.798 圈4工况3应力分布云图 TECHNIC FORUM/技术论坛I 2o12/o3 ~qlNT-479.088 1.191 107.39 2l3.589 319.789 425.9髓 54.29 160.49 266.689 372.889 479.088 围5工况4应力分布云图 3.5安全评定 根据引起应力的原因和对结构强度影响的性质不同而对应力 进行分类,按照JB 4732标准,对不同类型的应力分别进行不同的 限制和评定。通过以上应力分布云图分析,分别得出4种载荷工况 下的应力最大值。在4种载荷工况中,工况1和4,最大应力点均出 现在支座支撑和罐体连接部位,该点属于罐体的一部分,两种工 况下的应力最大值均属于二次应力的范畴,应按二次应力进行评 定,小于3倍的设计应力强度即符合标准要求 ,工况1应力最大值 为515.239 MPa,工况4应力最大值为479.088 MPa,小于3倍的设 计应力强度值564 MPa,符合标准规定和设计要求。工况2和3中的 最大应力值分别为712.529 MPa和597.790 MPa,两个最大应力点 位置均远离罐体的简体和封头,分别出现在前支座支撑底板和后 支座支撑的底脚处,且均大于1.5倍屈服强度(487.5 MPa),不符合 应力分析标准要求 ,故判定为不合格。 由于篇幅所限,罐体的疲劳分析和评定略。疲劳分析和评定 结果为:该罐体能承受0.1-4 MPa疲劳载荷2.2万次,按每天充放 天然气3次计算,满足设计疲劳寿命为2O年的要求。 3.6改进思路和方案 在以上分析和评定中,如果出现任何一项评定不满足标准要 求,则需要增大元件壁厚或改进结构设计,重新建模和分析,直 至合格。对于工况2,可采用增加支座底板厚度6 l'n/ll的方法,进 行重新建模、加载、分析计算,得出该工况的最大应力值减小至 475 MPa的结果:而对于工况3,可采用在后支座支撑的底脚处增 加厚度为6 mm筋板和延长支座270 nfn的结构(如图6),以减小应 力集中的缺陷,重新建模、加载、分析计算,得出该工况的最大 应力值为426 MPa。改进后的工况2和-I-况3,分析结果均满足小于 1.5倍屈服强度(487.5 MPa)的要求,符合JB 4732标准要求,故判定 合格。 筒俸厚度6HlIIl筋掇 后支座 犀虞6IrIlIl筋板 封头 圈6薯体后支座筋板位置图 3.7 其它要求 在罐体设计时,需要注明对疲劳容器的特殊要求:A、B类焊 接接头进行100%射线检测;C、D类焊接接头进行表面检测;焊 缝余高须打磨平滑,以尽可能地减小应力集中:几何不连续处采 用圆滑过度;不得采用硬印打标记等。 4 安全使用 天然气罐式半挂车因充装的介质为永久气体,充装和运营与 液化气体罐车存在着本质区别。在充装过程中,如果充装速度过 快,会因压力急剧变化而出现罐体受力不均衡,导致罐体出现异 常;也会因此而使罐内天然气温度快速上升,无法确定介质应达 到的充装压力而有可能出现欠装的现象,因此,充装时需要控制 充装速度在经济流速15 m/s范围内,不宜过快。 罐内压力是随环境温度的改变而变化,环境温度提高,罐内 压力便会相应提高,因此工作压力为4 MPa的罐车,运营过程中, 虽然在较低环境温度下,充装量在保证不超载的情况下可相对增 加,但是必须保证在任何充装和运营环境温度下,罐内压力都应 确保不得大于4 MPa。在不同温度下,安全的充装压力和充装温度 对应关系如图7所示。 耐 曼 - 趟 4 3 8 — 3 75 3 3 5 — 3 j 3 2‘ _ 3.1 1簟l- _ _ I - 2o lO o lo 20 3O 4O 50 6O 温度.℃ 圈7 天然气在不同充装沮度下与充装压力的对应关系 5结束语 随着经济的不断发展,特别是近年来西气东输及清洁能源的 普及和利用,更多工业气体项目的发展大大促进了天然气、氢 气、氦气等永久气体的使用,随着市场需求的不断扩大,近年 来,部分厂家才开始自主研发永久气体罐式运输车,设计、制造 所依据的标准为企业标准。亟待制订不同于液化气体罐式运输车 的国家标准或行业标准,以规范设计、制造和使用,保证永久气 体罐式运输车更合理、更安全的运营。 参考文献 [11 GB 1589—2004道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限制【s】 [2]压力容器安全技术监察规程,中国劳动社会保障出版社.1999. [3]集装箱检验规范,中国船级社.2010. [4]JB 4732—1995.钢制压力容器分析设计标准[s]. [5]余伟炜,高炳军.ANSYS在机械与化工设备中的应用[M].北京:中国水利水电出 版社,2007. 收稿日期:2012.01—05 4 "5 5 5” 3 5" 5
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