兩種長管拖車氣瓶瓶口外螺紋磨損差異分析

鄧貴德劉 巖呂亮國李 偉吉 方

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

(2.大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院 大連 116013）

（3.廣東省特種設(shè)備檢測研究院東莞檢測院 東莞 523120）

兩種長管拖車氣瓶瓶口外螺紋磨損差異分析

鄧貴德1劉 巖2呂亮國1李 偉3吉 方1

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

(2.大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院 大連 116013）

（3.廣東省特種設(shè)備檢測研究院東莞檢測院 東莞 523120）

長管拖車氣瓶瓶口外螺紋類型主要有非密封管螺紋（G螺紋）和統(tǒng)一螺紋（UN螺紋）兩種，檢測案例統(tǒng)計結(jié)果表明采用UN外螺紋的長管拖車氣瓶因瓶口外螺紋磨損的返修率只有采用G螺紋氣瓶的44．18%。定量比較了兩種螺紋螺牙截面積差異，UN螺紋螺牙比G螺紋大39．84%；建立了長管拖車氣瓶瓶口有限元分析模型，計算結(jié)果表明兩種外螺紋的受力不存在顯著差別。綜上認(rèn)為兩種瓶口外螺紋磨損差異原因是UN螺牙比G螺紋粗大，其他條件相同時UN螺紋相對磨損量更小。

長管拖車 氣瓶 螺紋磨損 有限元分析

長管拖車是一種氣體運輸裝備，近年來被廣泛應(yīng)用于輸送壓縮天然氣、氫氣、氦氣等工業(yè)氣體，截至2015年底我國長管拖車保有量已超過1.2萬輛，保有量占世界第一[1， 2]。

長管拖車一般裝配有8～11只大容積鋼制無縫氣瓶，氣瓶通過配管和閥門連通在一起共同輸送壓縮氣體[3]。長管拖車氣瓶瓶口兩端加工內(nèi)外螺紋，瓶口內(nèi)螺紋用于旋入瓶塞，外螺紋與法蘭之間用螺紋連接，在法蘭與瓶口連接部位安裝防轉(zhuǎn)銷釘，起到固定法蘭與氣瓶之間連接的作用，防止運輸過程中因氣瓶轉(zhuǎn)動導(dǎo)致后倉集輸管路變形、斷裂，進而引起氣瓶內(nèi)部介質(zhì)泄漏；法蘭用螺栓固定在拖車框架兩端的前后支撐板上[4]，氣瓶及支撐結(jié)構(gòu)如圖1所示。李偉[1]等的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明2004至2013年中國檢驗的長管拖車氣瓶中16.16%的氣瓶存在瓶口外螺紋嚴(yán)重磨損現(xiàn)象。李邦憲等[5]收集的38個長管拖車氣瓶瓶頸機械損傷案例中37例為瓶口外螺紋處變形、碰傷、磨損、減薄等損傷。2001年5月美國俄克拉荷馬州拉莫那市發(fā)生了一起氫氣長管拖車事故，1只氣瓶從拖車框架中飛出導(dǎo)致氫氣泄漏、燃燒[6]，事故原因就是氣瓶瓶口與法蘭相連接的外螺紋嚴(yán)重磨損，為此美國壓縮氣體協(xié)會研究制定了長管拖車氣瓶瓶口螺紋檢測指南[7]，主要采用合于使用評價方法計算磨損減薄后的瓶口剩余強度系數(shù)，從而確定長管拖車氣瓶瓶口容許的最薄壁厚和螺紋表面磨損量[8]。

長管拖車氣瓶瓶口外螺紋類型主要有非密封管螺紋（G螺紋）[9， 10]和美制統(tǒng)一螺紋（UN螺紋）[11]兩種，檢測案例統(tǒng)計結(jié)果表明采用UN螺紋的長管拖車氣瓶因瓶口外螺紋磨損的返修率為14.46%，采用G螺紋的長管拖車氣瓶因瓶口外磨損的返修率是32.73%[1]，前者的磨損返修率只有后者的44.18%。造成兩種螺紋磨損差異的原因可能是由于不同類型螺紋應(yīng)力分布差異造成的，也可能由于螺紋的螺牙結(jié)構(gòu)不同使得相同檢驗周期內(nèi)螺紋相對磨損量不同造成的。本文定量比較了4.5-8UN和G4.5兩種螺紋螺牙截面積差異，并應(yīng)用ANSYS軟件對比分析了長管拖車氣瓶在內(nèi)壓工作載荷、軸向慣性力載荷及兩種載荷共同作用下UN螺紋和G螺紋瓶口應(yīng)力分布，試圖找出導(dǎo)致兩種長管拖車氣瓶瓶口外螺紋磨損差異的原因。

圖1 氣瓶與支撐結(jié)構(gòu)示意圖

1 外螺紋結(jié)構(gòu)

目前，長管拖車中采用最多的氣瓶規(guī)格為：外直徑559mm、長10980mm、設(shè)計壁厚16.5mm、水容積為2250L、工作壓力20MPa、瓶體材料4130X[12]。長管拖車氣瓶瓶口外螺紋主要有4.5-8UN-2A、4.75-8UN-2A、5-8UN-2A、5.5-8UN-2A等UN螺紋，以及G4 B、G4.5 B 、G5 B、G5.5 B等G螺紋；UN外螺紋對應(yīng)的瓶口內(nèi)螺紋規(guī)格通常為3.25-8UN-2B，G外螺紋對應(yīng)的瓶口內(nèi)螺紋規(guī)格通常為G3。

圖2 兩種螺紋基本牙型

UN螺紋和G螺紋的牙型結(jié)構(gòu)存在一定差別，兩種螺紋基本牙型如圖2所示，圖中H為基本牙型三角形高度，P為螺距。UN螺紋的牙型角度為60°，上削平高度為H/8、下削平高度為H/4；G螺紋的牙型角度為55°，上下削平高度均為H/6。此外，UN螺紋設(shè)計牙型采用平的牙頂輪廓，牙底可以采用平的或者任選的圓形輪廓；G螺紋設(shè)計牙頂和牙底均采用圓形輪廓，圓角半徑r=0.137329P。

根據(jù)圖2所示幾何參數(shù)，可以求得H與P有如下關(guān)系：

式中：

α——螺紋牙型角度值。

按照基本牙型計算，UN螺紋和G螺紋單個螺牙截面積SUN、SG分別為：

式（2）和式（3）表明，基本牙型如圖2所示的UN和G螺紋的單牙截面積僅與螺紋螺距相關(guān)，由于這兩種螺紋螺距均等于25.4mm除以螺紋牙數(shù)，也即表明基本牙型單牙截面積僅與牙數(shù)相關(guān)。

長管拖車氣瓶瓶口UN外螺紋均為8牙螺紋，螺距均為3.175mm；G外螺紋均為11牙螺紋，螺距均為2.309mm，按照式（2）和式（3）計算，UN外螺紋單牙截面積為2.387mm2、G外螺紋單牙截面積為1.707mm2，前者比后者大39.84%，表明UN螺牙比G螺紋粗大。

2 有限元分析

2.1 幾何模型

按照圖1所示結(jié)構(gòu)建立幾何模型。為了節(jié)約計算成本，在此假定氣瓶處于靜平衡位置，瓶體不發(fā)生轉(zhuǎn)動，可忽略銷釘?shù)确擂D(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)。瓶口內(nèi)、外螺紋分別選擇3.25-8UN-2B U、4.5-8UN-2A和G3、G4.5 B兩種情況，建模時不考慮瓶口內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)，瓶口內(nèi)直徑取內(nèi)螺紋大徑；外螺紋以及與其嚙合的法蘭上按照對應(yīng)的螺紋尺寸參數(shù)建模。建立的軸對稱幾何模型如圖3所示。

圖3 幾何模型

2.2 網(wǎng)格模型

在Ansys Workbench軟件中采用掃掠為主的網(wǎng)格劃分方法，得到以四邊形網(wǎng)格為主的較為理想的網(wǎng)格模型，UN螺紋模型的單元總數(shù)為40644，節(jié)點總數(shù)為130649，嚙合螺紋區(qū)域網(wǎng)格劃分情況如圖4所示；G螺紋模型單元總數(shù)為41090，節(jié)點總數(shù)為131989。

圖4 UN螺紋嚙合區(qū)域網(wǎng)格模型

2.3 材料模型

氣瓶材料采用多段線性強化模型，彈性模量取206GPa，泊松比取0.3，其真應(yīng)力應(yīng)變曲線參考文獻[13]，對應(yīng)的實測屈服強度為659.2MPa；法蘭與支撐鋼板材料為45號鋼，計算采用雙線性等向強化模型，取彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，屈服強度376MPa，切線模量為458.43MPa。所有鋼材密度均取為7850kg/m3。

2.4 約束條件

設(shè)定氣瓶外螺紋與法蘭螺紋之間為摩擦接觸，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.15，接觸算法采用增廣拉格朗日算法；在兩個法蘭外端面均施加固定約束。

2.5 載荷條件

●2.5.1 內(nèi)壓載荷

氣瓶內(nèi)表面施加20MPa內(nèi)壓載荷，兩瓶口端面施加等效拉應(yīng)力載荷21.81MPa。

●2.5.2 慣性力載荷

參照《移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[14]規(guī)定，運動方向慣性力載荷按最大重量的2倍轉(zhuǎn)化為等效靜態(tài)力，對氣瓶施加沿軸線方向的兩倍重力加速度。

●2.5.3 內(nèi)壓與慣性載荷

將上述兩種載荷共同施加到所建立的有限元模型。

2.6 計算結(jié)果

定義以加速度指向端瓶口為氣瓶前瓶口，靠近瓶肩處的嚙合螺紋為第一圈嚙合螺紋。計算得到的瓶口外螺紋區(qū)域等效應(yīng)力如圖5～圖10所示，氣瓶瓶口最大等效應(yīng)力結(jié)果匯總見表1。

圖5 內(nèi)壓載荷作用下UN螺紋區(qū)域等效應(yīng)力

圖6 內(nèi)壓載荷作用下G螺紋區(qū)域等效應(yīng)力

圖7 慣性力載荷作用下UN螺紋區(qū)域等效應(yīng)力

圖8 慣性力載荷作用下G螺紋區(qū)域等效應(yīng)力

圖9 內(nèi)壓與慣性力共同作用下UN螺紋區(qū)域等效應(yīng)力

圖10 內(nèi)壓與慣性力共同作用下G螺紋區(qū)域等效應(yīng)力

3 分析和討論

內(nèi)壓載荷作用下，前后瓶口應(yīng)力分布規(guī)律相同，最大等效應(yīng)力均位于第一圈嚙合螺紋根部，前后端最大應(yīng)力值的微小差別是網(wǎng)格不完全一致導(dǎo)致的數(shù)值誤差。UN螺紋瓶口的最大等效應(yīng)力為691.96MPa，G螺紋瓶口最大等效應(yīng)力為678.32MPa，表明內(nèi)壓載荷下G螺紋的受力要略好于UN螺紋，這與承壓設(shè)備中細(xì)牙螺紋受力優(yōu)于粗牙螺紋的情況一致。但是，UN螺紋最大等效應(yīng)力僅比G螺紋大2.01%，表明內(nèi)壓載荷作用下兩種螺紋的最大應(yīng)力值差別不顯著。另外，兩種螺紋瓶口最大等效應(yīng)力均超過了材料的屈服強度，在反復(fù)作用下該區(qū)域可能產(chǎn)生表面接觸疲勞從而形成材料磨損。

表1 氣瓶瓶口最大等效應(yīng)力(單位：MPa)

軸向慣性力載荷作用下，前后瓶口應(yīng)力分布規(guī)律存在顯著差別，最大等效應(yīng)力位于第一圈嚙合螺紋根部、后瓶口最大等效應(yīng)力位于最后一圈嚙合螺紋根部，前瓶口最大應(yīng)力值明顯大于后瓶口。UN螺紋前瓶口最大等效應(yīng)力為136.83MPa，G螺紋的氣瓶前瓶口最大等效應(yīng)力為139.68MPa，表明軸向慣性力載荷下UN螺紋受力要略好于G螺紋，但是相對差值只有2.04%。

內(nèi)壓載荷和軸向慣性力載荷共同作用下，前后瓶口最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)于第一圈嚙合螺紋根部，UN螺紋和G螺紋前瓶口上最大等效應(yīng)力分別為702.02MPa和701.08MPa，相對差值只有0.13%；UN螺紋和G螺紋后瓶口上最大等效應(yīng)力分別為684.97MPa和668.58MPa，G螺紋受力略優(yōu)于UN螺紋，但是兩者相對差值僅2.45%。上述三種載荷工況下的計算結(jié)果表明，相同情況下UN和G兩種外螺紋受力不存在顯著差別，應(yīng)力差別不是兩種長管拖車氣瓶瓶口外螺紋磨損差異產(chǎn)生的原因。

表面接觸疲勞磨損主要受摩擦副材料性能、潤滑狀況、應(yīng)力狀態(tài)等因素影響[15]。由于UN和G兩種外螺紋受力不存在顯著差別，在法蘭和氣瓶材料相同、潤滑狀況相同時兩種螺紋的絕對磨損量可以視為近似相同，由于UN螺紋單個螺牙截面積是G螺紋的1.40倍，UN螺紋的相對磨損量只有G螺紋的71.43%。長管拖車氣瓶定期檢驗時，主要是由檢驗和檢修人員依據(jù)宏觀檢查和螺紋相對磨損程度來判斷瓶口外螺紋是否需要返修或者重新加工。在相同檢驗周期內(nèi)，由于采用G螺紋的長管拖車氣瓶瓶口相對磨損程度更加嚴(yán)重，因而從安全角度考慮會更多地判定為需要返修。

4 結(jié)論

1）長管拖車氣瓶瓶口常用UN外螺紋單牙截面積為2.387mm2、常用G外螺紋單牙截面積為1.707mm2，UN外螺紋單牙截面積比G螺紋大39.84%。

2）在內(nèi)壓工作載荷、軸向慣性力載荷及兩種載荷共同作用下，采用UN外螺紋和G外螺紋的氣瓶瓶口受力不存在顯著差別，應(yīng)力差別不是兩種長管拖車氣瓶瓶口外螺紋磨損差異產(chǎn)生的原因。

3）UN外螺紋螺牙比G螺紋粗大，其他條件相同時UN外螺紋的相對磨損量只有G外螺紋的71.43%，UN螺紋相比G螺紋更耐磨損，分析認(rèn)為這是引起兩種瓶口外螺紋磨損差異的主要原因。

[1] Li W， Deng G， Ji F， et al． Present Status and Periodical Inspection of Large Capacity Cylinders for Tube Trailers in China [C]． //Proceedings of the ASME 2014 Pressure Vessels and Piping Conference． July 20-24，2014， Anaheim， CA， USA： 1-8．

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[研究工作受國家重點研發(fā)計劃項目課題（編號：2016YFC0801902）資助]

Analysis of Abrasion Difference of Two Specifications of External Threads on the Mouths of Cylinders for Tube Trailers

Deng Guide1Liu Yan2Lv Liangguo1Li Wei3Ji Fang1
(1. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)
(2. Dalian Boiler and Pressure Vessel Inspection and Research Institute Dalian 116013)
(3. Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research Dongguan Branch Dongguan 523120)

Two specifications of external threads are mainly used on the mouths of cylinders for tube trailers, which are pipe threads without pressure-tight joins (simplified as G threads) and unified inch screw threads (simplified as UN threads). Statistics results show that maintenance ratio of the cylinders using UN threads is 44.18% of those using G threads because of the abrasion of the external threads. First sectional areas of the two specifications of external threads were quantitatively analyzed, which shows that UN threads are 39.84% bigger than G threads. Then finite element analysis of the cylinders with different specifications of external threads was carried out, and results reveal that the stresses of the cylinders have no marked difference. The main reason of the abrasion difference of the two specifications of external threads is suggested finally.

Tube trailers Cylinders Thread abrasion FEA

X924

B

1673-257X(2017)04-0007-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.04.001

鄧貴德(1982～)，男，博士，主任助理，高級工程師，從事特種設(shè)備結(jié)構(gòu)分析和研究工作。

2017-01-05）