單點系泊原油輸送裝置旋轉接頭的靜力學分析及密封性能評估

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(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

單點系泊原油輸送裝置旋轉接頭的靜力學分析及密封性能評估

鄭繼平,熊大柱，覃剛,王強,阮業(yè)康

(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

為設計某型原油輸送裝置旋轉接頭并校核其強度性能和密封效果，先采用傳統(tǒng)方法進行計算，然后用有限元法對其進行仿真分析，獲得了旋轉接頭的綜合應力云圖、變形云圖和密封效果圖。結果表明，旋轉接頭的最大應力小于材料的屈服強度，滿足使用要求；最大變形量較小，且發(fā)生在非關鍵部位，滿足使用要求；旋轉接頭的密封面貼合緊密，密封效果良好，不會產生泄漏。

旋轉接頭；有限元法；強度性能；密封效果

旋轉接頭是一種具有通流、旋轉、防泄漏、泄漏檢測等多種功能的裝置[1]。油船系泊進行外輸作業(yè)時，通流介質無泄漏地從流體旋轉接頭入口流入，出口流出。單通道通流原油，雙通道流體旋轉接頭能同時通流原油和成品油。流體旋轉接頭上端入口腔體通過驅動臂和單點系泊裝置的轉盤相連，轉盤通過系泊纜系泊油輪并且隨著系泊油輪的風向標作用而隨之轉動，從而驅動流體旋轉接頭上端的入口腔體與系泊油船同步轉動[1-2]。

流體旋轉接頭是主要結構和功能部件，若不能保證其強度性能和密封效果，將會導致工作介質泄漏，從而造成環(huán)境污染和能源浪費，嚴重時可危及工作人員健康和生命安全[3]。傳統(tǒng)壓力設備設計靠水壓試驗來驗證泵體強度和密封性、設計的合理性和可靠性，不僅研發(fā)周期長、成本高，而且難以保證質量。再之，水壓試驗一般由檢測人員用肉眼觀察密封面是否滲漏等，檢查人員的觀測技巧不同，測試結果不完全相同[4-5]?？紤]以某型單點系泊原油輸送裝置旋轉接頭為研究對象，在充分考慮旋轉接頭法蘭面接觸問題、法蘭和螺栓接觸問題，以及螺栓預緊力對結構強度的影響的基礎上，對旋轉接頭進行數值仿真。分析旋轉接頭的剛強度和密封性，以減少水壓試驗的工作量，并優(yōu)化旋轉接頭設計。

1 流體旋轉接頭設計計算

1.1 基本參數

本文研究的是1臺型號為單點系泊原油輸送裝置旋轉接頭。該旋轉接頭由上腔體、下腔體、儲液罐、管路、回轉支撐、螺栓、密封、回轉支承等組成。其設計參數見表1所示。

表1 5 000 m3/h系泊原油輸送裝置旋轉接頭基本設計參數

1.2 上下腔體計算

根據CCS船級社《鋼制海船入級規(guī)范2015》以下簡稱《規(guī)范》“泵與管系”這一章的規(guī)定：[6]

壁厚不小于按下式計算的值：

δ=δ0+b+c

式中：δ0為基本壁厚，mm；b為彎曲附加余量，0 mm；c為腐蝕余量，mm，原油管系取c=2.0；

其中：p為設計壓力，p=4.38 MPa；D為鋼管外徑，D=168 mm；[σ]為鋼管許用應力，取[σ]=188.9 MPa,可計算出最小壁厚為

δ1=δ0+b+c=12.03+0+2.0=14.03 mm。

參照國外一線品牌SBM流體旋轉接頭壁厚25 mm，實際尺寸取25 mm。

1.3 封頭計算

流體旋轉接頭上下腔體采用橢圓封頭，見圖1。

圖1 橢圓形封頭

流體旋轉接頭上下腔體橢圓封頭的厚度。根據《規(guī)范》“鍋爐與壓力容器”這一節(jié)中附錄1的計算公式，橢圓封頭最小厚度為

式中：δ3為封頭厚度，mm；P為承受壓力，P=4.38 MPa；D1為封頭外徑，D1=1 050 mm；y為形狀系數，y=0.95 ；[σ]為鋼管許用應力，[σ]=188.9 MPa；φ為適用于焊縫的強度系數，取φ=1。

參照國外一線品牌SBM流體旋轉接頭封頭厚度20 mm，實際尺寸取20 mm。

2 有限元分析

2.1 計算對象離散化

本分析模型建立在直角坐標系上，軸中心線方向為Y軸方向，法蘭進出口方向為X方向。模型的相關設置如下：

長度單位：mm；力單位：N；應力單位：MPa；坐標系：總體笛卡爾坐標系。

將要分析的計算對象分割成有限單元，單元之間設置聯接節(jié)點，并使相鄰單元的有關參數具有一定的連續(xù)性，然后構成單元集合體以代替原計算對象，并將彈性體邊界約束用邊界上節(jié)點約束去替代[8]。在ANSYS中，旋轉接頭的網格采用六面體的方法進行劃分，對于腔體、封頭、板等結構采用solid-shell單元劃分，對螺栓連接件及其他規(guī)則結構采用六面體網格劃分，并對法蘭和螺栓接觸面、旋轉接頭中分面等關鍵部位進行局部加密，共劃分節(jié)點數為 200 435，單元數 為 123 769，有限元模型見圖2。

圖2 旋轉接頭的有限元模型

2.2 材料屬性

旋轉接頭的材料屬性見表2。

表2 旋轉接頭的材料屬性

2.3 約束及加載

接觸設置。腔體上下法蘭面為2個目標面，回轉支承上下安裝面為接觸面，由相應的目標面和接觸面構成一組接觸對摩擦系數0.15；螺栓頭部與法蘭接觸面面積基本不變，設置接觸類型為Bonded(綁定接觸)；螺桿與回轉支承螺紋孔設置為Bonded(綁定接觸)。

載荷分析。單點系泊系統(tǒng)漂浮軟管傳遞載荷和系泊載荷均通過管道支承平臺傳遞到位于浮筒上的系泊回轉支承承受，流體旋轉接頭上腔體不承受漂浮軟管傳遞載荷和系泊載荷。故以下只計算流體旋轉接頭上腔體因單點浮筒運動所產生的慣性力、風載荷和通流介質壓力在上下腔體連接面處豎直方向上的載荷[7]。

回轉接頭載荷為：回轉支承上每個螺栓預緊力220 kN；最大風載荷7 898 N,風載荷作用在浮筒安裝面以上的流體旋轉接頭上腔體外表面；通流介質壓力4.38 MPa；驅動臂載荷8 555 N；慣性載荷上下方向1.25 m/s2,橫向1.97 m/s2；重量載荷；上腔體傾覆力矩8 771 N·m。上腔每個法蘭202.5 kN同向力。

在長圓法蘭邊緣施加固定約束；在螺柱上施加預緊力，約束載荷示意圖見圖3、圖4。

圖3 固定約束及螺栓載荷示意

圖4 旋轉接頭載荷示意

2.4 有限元分析

1)單元分析。建立單元位移方程

f=Nδe

(1)

式中：f為單元內任一點的位移列陣；δe為單元節(jié)點位移列陣；N為單元位移模式矩陣。

由式(1)可得到所有節(jié)點位移表示的單元應變?yōu)?/p>

ε=Bδe

(2)

式中：ε為單元中任一點的應變列陣；B為單元應變矩陣。

可得單元應力為

σ=DBδe

(3)

式中：σ為單元中任一點的應力列陣；D為與單元有關的彈性矩陣。

單元剛度矩陣與單元平衡方程

Ke=?BTDBdxdydz

(4)

式中：Ke為單元剛度矩陣。

導出單元剛度矩陣，利用最小勢能原理，得到單元平衡方程為

Fe=Keδe

(5)

式中：Fe為等效節(jié)點力[8-9]。

2)整體分析。在單元分析的基礎上，建立系統(tǒng)總勢能計算公式，應用最小總勢能原理建立有限元基本方程，引入位移邊界條件后求解有限元方程，解出全部節(jié)點位移，最后逐個計算單元的應力。由此可得到有限元的基本方程。

Kδ=F

(6)

式中：K為整體剛度矩陣；δ為節(jié)點位移列陣；F為節(jié)點載荷列陣。

利用邊界條件，結合以上方程可以求出各節(jié)點的位移及各單元應力等[8-9]。

采用第四強度理論進行校核，米賽斯等效應力(Von-Mises)即σeqv應當滿足以下條件：

σeqv=

式中：σeqv為等效應力；σ1、σ2和σ3分別為第1、2、3主應力；[σ]為許用應力。

3)接觸分析。以有限元為基礎的接觸問題數值解法可分為直接迭代法、接觸約束算法、數學規(guī)劃法等[10]。接觸問題可描述為求區(qū)域內位移場U，使得系統(tǒng)的勢能ΠU在接觸邊界條件的約束下達到最小，即

MinΠU=1/2UTKU-UTF

s.t≥0

(7)

式中：K為整體剛度矩陣；F為整體剛度矩陣接觸力。

ANSYS 提供的接觸約束算法是通過適當處理接觸邊界約束條件，將式(7) 的約束優(yōu)化問題轉換為無約束優(yōu)化問題求解。采用增廣拉格朗日乘子法求解。

3 計算結果及分析

3.1 旋轉接頭強度分析

圖5 驅動臂本體綜合應力云圖

圖6 預緊螺栓應力云圖

圖5～圖7為驅動臂、螺栓、腔體的綜合應力云圖。驅動臂本體的最大綜合應力為267.91 MPa，強度滿足；回轉支承螺栓的最大綜合應力為771.02 MPa，強度滿足；上下腔體應力峰值為482 MPa,為局部尖角處的應力集中，周圍最大應力447 MPa，為表層微小區(qū)域小于屈服應力，強度滿足要求。根據規(guī)范，旋轉接頭的強度滿足要求。

圖7 上下腔體應力云圖

3.2 旋轉接頭變形分析

圖8為旋轉接頭綜合位移云圖。由圖8可知，旋轉接頭總體綜合變形較小，最大綜合位移為5.07 mm，位于驅動臂端，上下腔體綜合位移2.08 mm，上腔法蘭受拉側。對零部件的裝配及正常工作無明顯影響。根據規(guī)范，旋轉接頭的變形滿足使用要求。

圖8 旋轉接頭綜合位移云圖

3.3 密封性能分析

旋轉接頭接觸面的接觸狀態(tài)見圖9，由接觸狀態(tài)圖可知，貼合區(qū)面積較大，上下腔體法蘭面與回轉支承貼合面貼合緊密，無泄漏。圖10為上下腔體法蘭與回轉支承貼合面的接觸應力，上腔法蘭面最大接觸應力為103.29 MPa,下法蘭最大接觸應力為119.6 MPa,貼合區(qū)應力在30～50 MPa的區(qū)域較大，貼合緊密。上下腔體法蘭面與回轉支承在貼合面的法向位移見圖11。由位移云圖可知，前后旋轉接頭在貼合面的法向位移趨勢基本相同，可使二者貼合緊密，滿足密封要求。

圖9 上下腔體法蘭與回轉支承貼合面密封狀態(tài)

圖10 上下腔體法蘭與回轉支承貼合面接觸應力

圖11 法蘭貼合面法向位移

4 結論

根據規(guī)范，旋轉結構的強度剛度滿足要求。

采用結合面接觸計算對旋轉接頭法蘭與回轉支承面密封性能進行了驗證，該方法適用于其他壓力承壓設備密封性能分析，具有一定的通用性。

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Statics Analysis and Sealing Performance Evaluation of the Revolving Joint of Single Point Mooring Petroleum Transportation Device

ZHENGJi-ping,XIONGDa-zhu,QINGang,WANGQiang，RuanYe-kang

(Wuhan Marine Machinery Plant Co. Ltd., Wuhan 430084, China)

In order to design a type single point anchor petroleum transportation device revolving joint and check the strength performance and sealing effect of the revolving joint, traditional calculation and finite element method (FEM) were adopted to simulate the revolving joint. Results of stress, deformation and sealing effect showed that the max stress, which is less than its yield strength, satisfies the operating requirement; the max deformation, which arises at noncritical position, is very minor and satisfies the operating requirement; the sealing face bands closely, the sealing effect is quite good, and there is no leak.

revolving joint; finite-element method; strength performance; sealing effect

U662

A

1671-7953(2017)06-0173-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.039

2017-01-09

2017-02-13

國家發(fā)改委項目(發(fā)改辦高技[2015]1409號)

鄭繼平(1973—)，男，碩士，工程師

研究方向：機械結構設計