史雷城,王海鵬,謝騰騰,何義明,武艷波,馮森森
(上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司,上海 200000)
燃料油的燃燒不僅會(huì)產(chǎn)生大量煙氣污染環(huán)境,同時(shí)由于燃料油的泄露還會(huì)污染水環(huán)境,因此,液化天然氣(LNG)作為一種清潔的能源,是船用發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的最佳選擇。與傳統(tǒng)的船用柴油燃料相比,因?yàn)榫哂袃r(jià)格低、熱值高、污染低等特點(diǎn),LNG 越來越被廣泛應(yīng)用。LNG 作為船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的能源,首先要?dú)饣商烊粴?,然后供給發(fā)動(dòng)機(jī)使用。因此,LNG 氣化器是供氣系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵設(shè)備,對發(fā)動(dòng)機(jī)的供氣品質(zhì)至關(guān)重要[1-3]。
船舶空間有限,長期漂浮在水上,船體易發(fā)生擺動(dòng)和傾斜,因此,對船用氣化器有著特殊的要求:換熱效率高,結(jié)構(gòu)緊湊;性能穩(wěn)定可靠,操作方便。
LNG 氣化器的管程和殼程溫差很大,由于發(fā)夾式換熱器利用的是U 形管束,兩塊管板被單獨(dú)設(shè)置,管束可以自由伸縮,具備了溫差補(bǔ)償效應(yīng),因此可以大大減小溫差應(yīng)力。
發(fā)夾式換熱器的管程數(shù)和殼程數(shù)均為1,LNG和熱源介質(zhì)是純逆流換熱,因此,換熱效率比較高。一般來說,發(fā)夾式換熱器的殼體直徑不是很大,對于介質(zhì)流量小的工況,可以保證流體的流速達(dá)到合理水平,保持較高的傳熱效率,同時(shí)減少結(jié)垢,延長設(shè)備壽命。
如圖1 所示是具體工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的發(fā)夾式氣化器:
圖1 發(fā)夾式氣化器簡圖
此臺發(fā)夾式氣化器各部件強(qiáng)度計(jì)算均根據(jù)GB 150-2011 常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算,而平蓋大開孔進(jìn)行了局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。分析結(jié)果依據(jù)JB 4732-1995《鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005 年確認(rèn)) 的相關(guān)要求進(jìn)行評定[4]。
2.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)
本分析基于設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù),采用校核的方式對給定結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元應(yīng)力分析及評定,表1 列出了設(shè)計(jì)基本參數(shù)。本分析屬局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析,分析結(jié)果依據(jù)JB4732-1995《鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005 年確認(rèn))的相關(guān)要求進(jìn)行評定。
表1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)
2.1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)
平蓋及其連接筒體的結(jié)構(gòu)形式及尺寸如圖2,圖3 所示。
圖2 平蓋與筒體連接圖
圖3 平蓋開孔圖
2.1.3 計(jì)算及評定條件
1)強(qiáng)度計(jì)算條件。強(qiáng)度計(jì)算壓力為0.6MPa,計(jì)算溫度90℃。計(jì)算包括二次應(yīng)力強(qiáng)度的組合應(yīng)力強(qiáng)度時(shí),選用了設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行計(jì)算,分析結(jié)果更保守,更安全。
2)螺栓壓緊力。根據(jù)GB/T 150.3-2011 中第7章,對平蓋的配對法蘭進(jìn)行計(jì)算,以提取螺栓載荷。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,預(yù)緊狀態(tài)下的法蘭設(shè)計(jì)力矩(80142416N·mm)比操作狀態(tài)下的法蘭設(shè)計(jì)力矩(48516128N·mm)大,所以,選取預(yù)緊狀態(tài)下的螺栓載荷(W=2108980.5N)進(jìn)行計(jì)算。由于計(jì)算模型為1/4模型,螺栓載荷為527245N。
3)筒體截面等效力。筒體和接管截面等效力根據(jù)下公式計(jì)算:
其中:
Pe——筒體或接管的端面等效力,MPa;
Pc——計(jì)算壓力,MPa;
Die——筒體或接管內(nèi)徑,mm;
δe——筒體或接管有效厚度,mm。
根據(jù)上述公式,筒體截面等效力為5.8537MPa。
4)材料性能數(shù)據(jù)。材料的計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度、彈性模量按GB150.2-2011 查取或通過插值計(jì)算求得。材料性能數(shù)據(jù)見表2。
表2 材料性能數(shù)據(jù)表
2.2.1 幾何及有限元模型
考慮內(nèi)壓及螺栓壓緊力的作用,根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性,平蓋和筒體取1/4 模型。
1)有限單元選擇。分析采用ANSYS 軟件中的20 節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元(solid 186)。
2)有限元模型。平蓋開孔有限元模型如圖4 和圖5 所示。
2.2.2 邊界條件
圖4 平蓋開孔網(wǎng)格模型
圖5 N5 筒體根部局部網(wǎng)格
平蓋、筒體內(nèi)壁施加計(jì)算壓力,筒體外端面施加等效力。螺栓中心圓部位施加螺栓載荷,墊片接觸面施加位移約束,對稱面施加對稱約束。
根據(jù)位移及載荷邊界條件,建立力學(xué)模型,如圖6 所示。
圖6 平蓋開孔邊界條件
本計(jì)算選取5 條路徑進(jìn)行評定:A-A:平蓋中心,貫穿厚度,B-B,貫穿筒體厚度,靠近平蓋外緣。C-C:平蓋墊片壓緊力作用中心圓上,貫穿平蓋,過做大應(yīng)力點(diǎn)。D-D 筒體距離平蓋中心最近的位置,貫穿筒體厚度。E-E:貫穿平蓋厚度,在筒體與平蓋相貫處。
應(yīng)力線性化路徑的選取原則是:通過構(gòu)件應(yīng)力奇異點(diǎn)外的應(yīng)力強(qiáng)度最大節(jié)點(diǎn)、其他高應(yīng)力強(qiáng)度區(qū)域及其他關(guān)注部位相應(yīng)節(jié)點(diǎn),沿壁厚方向設(shè)定應(yīng)力線性化路徑進(jìn)行評定。線性化路徑位置示意如圖7 所示。分析結(jié)果及線性化結(jié)果如圖8~13所示。
圖7 線性化路徑位置示意
圖8 平蓋開孔應(yīng)力云圖
圖9 路徑A-A 線性化結(jié)果
圖10 路徑B-B 線性化結(jié)果
圖11 路徑C-C 線性化結(jié)果
圖12 路徑D-D 線性化結(jié)果
圖13 路徑E-E 線性化結(jié)果
強(qiáng)度評定方法依據(jù)JB4732—1995 進(jìn)行。根據(jù)有限元分析結(jié)果強(qiáng)度評定表明:平蓋開孔滿足計(jì)算規(guī)定條件下強(qiáng)度要求。見表3。
表4.1 應(yīng)力評定數(shù)據(jù)表
LNG 作為一種燃料為船舶提供動(dòng)力,越來越受到重視。雙燃料船用發(fā)動(dòng)機(jī)LNG 氣化器在船用氣化系統(tǒng)中的作用無可替代,發(fā)夾式換熱器作為船用發(fā)動(dòng)機(jī)LNG 氣化器很少,本文主要從強(qiáng)度設(shè)計(jì)方面介紹了關(guān)鍵部件的計(jì)算,為以后船用LNG 氣化器的選擇和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。