加注躉船用LNG燃料罐有限元計算分析與評定

楊陽，張疆平，楊凡，馬金華

加注躉船用LNG燃料罐有限元計算分析與評定

楊陽，張疆平，楊凡，馬金華

（張家港中集圣達因低溫裝備有限公司， 江蘇 蘇州 215632）

基于CCS—2021《液化天然氣燃料加注躉船規(guī)范》，以加注躉船用250方LNG燃料罐為例，對其在使用過程中受到慣性載荷作用下，內(nèi)外容器間的支撐結(jié)構(gòu)以及鞍座等結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平進行了詳細的有限元計算與評價，計算結(jié)果滿足船級社審查要求。

CCS； 躉船用LNG燃料罐； 有限元計算； 強度計算

加注躉船用LNG燃料罐有別于其他的船用LNG罐產(chǎn)品，疲勞強度不再作為產(chǎn)品安全的主要評價依據(jù)，其安全評價指標(biāo)主要以靜強度計算為主。根據(jù)CCS—2021《液化天然氣燃料加注躉船規(guī)范》，針對非受壓結(jié)構(gòu)件的評價方法不在依據(jù)IGF中的相關(guān)規(guī)定進行，而是以《內(nèi)河散裝運輸液化氣體船舶建造于設(shè)備規(guī)范》、《鋼制內(nèi)河船舶建造規(guī)范》以及《散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》為依據(jù)進行評價。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)對250 m3加注躉船用LNG燃料罐產(chǎn)品進行詳細的應(yīng)力分析和計算，以滿足船級社審查要求。

1 產(chǎn)品介紹

250 m3加注躉船用LNG燃料罐產(chǎn)品，其罐體基本結(jié)構(gòu)是以內(nèi)、外圓筒為主的雙層殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)容器用于貯存LNG介質(zhì)，內(nèi)外罐夾層通過纏繞絕熱材料且抽真空實現(xiàn)貯存低溫介質(zhì)的目的。另外內(nèi)外罐之間通過八組環(huán)氧玻璃鋼管件支撐，外殼則通過鞍座結(jié)構(gòu)與船體連接以方便使用。

2 計算條件

250 m3加注躉船用LNG燃料罐的主要設(shè)計條件和船舶及其航行參數(shù)等見表1。

表1 250 m3加注躉船用LNG燃料罐產(chǎn)品的主要設(shè)計條件

3 設(shè)計蒸汽壓力核算

正首先根據(jù)內(nèi)散歸4.17.1.校核蒸汽壓力計算：

1）C型獨立液貨艙的設(shè)計依據(jù)為經(jīng)修訂納入斷裂力學(xué)和裂紋擴展衡準(zhǔn)的壓力容器衡準(zhǔn)。4.17.1（2）中規(guī)定的最小設(shè)計壓力旨在確保動應(yīng)力足夠低，從而在液貨艙使用壽命期間，初始表面裂紋不會擴展超過外殼厚度的一半。

2）設(shè)計蒸氣壓力應(yīng)不小于：

o= 0.2 + AC(ρr)1.5 (MPa)

= 0.2 + 0.001 85×(147/55)2 ×C(ρr)1.5

= 0.248 MPa

故o為0.248 MPa小于圖紙中設(shè)計蒸汽壓力1.0 MPa，滿足規(guī)范要求。

4 有限元計算分析

4.1 有限元模型的建立

計算采用ANSYS軟件做前后處理與分析計算。主體結(jié)構(gòu)采用三維實體單元建立，內(nèi)外加強圈結(jié)構(gòu)采用板殼單元計算，另外玻璃管支撐結(jié)構(gòu)件與內(nèi)外罐主體結(jié)構(gòu)采用接觸單元建立。在罐體支撐結(jié)構(gòu)位置處壁厚方向網(wǎng)格不少于3份（實體結(jié)構(gòu)）；加強圈結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸為18 mm×18 mm，鞍座主體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸為25 mm×25 mm。另外有限元建模時均選擇有效厚度或最小成型厚度建立，相關(guān)模型可參考圖1、圖2所示。

4.2 載荷類別

針對產(chǎn)品特點，有限元計算至少要考慮下述載荷：外罐殼體承受的大氣壓力外、內(nèi)容器介質(zhì)壓力內(nèi)、內(nèi)外罐罐體結(jié)構(gòu)自重（包括附件重量）、內(nèi)容器充裝的低溫LNG液體重量（即靜壓頭）靜以及考慮躉船用燃料罐產(chǎn)品在船舶航行過程中組合加速度產(chǎn)生的組合液體壓力gd。

圖1 加注躉船用LNG燃料罐主體結(jié)構(gòu)三維示意簡圖

圖2 加注躉船用LNG燃料罐主體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格示意圖

各載荷數(shù)值及處理過程如下：

1) 外殼承受的大氣壓力外= 0.1 MPa，以均壓方式加在外殼外壁表面。

2）內(nèi)容器介質(zhì)壓力內(nèi)=1.0+0.1=1.1 MPa，以均壓方式加在內(nèi)容器內(nèi)壁表面。

3）內(nèi)外罐結(jié)構(gòu)自重（包括附件重量）以及組合加速度G組 以慣性力的方式加載。

4）靜傾0°靜壓頭靜以及靜傾10°靜壓頭靜’。

5）船舶運動所引起的貨物中心加速度所產(chǎn)生的對于由重力和動力加速度的聯(lián)合作用所引起的內(nèi)部液體壓力gd，根據(jù)散規(guī)4.28.1.2內(nèi)容gd計算過程如下：

即：

以上：a=0.4 g ，a=0.2g ，=1.75

此外根據(jù)內(nèi)散規(guī)附錄2中4.4小節(jié)表1設(shè)置β分為0°，5°及10°分別計算，計算過程見表2內(nèi)容，Z選取參照圖3-圖4。

表2 各角度下加速度計算過程

圖3 單體罐幾何參數(shù)

圖4 單體罐幾何參數(shù)

4.2 計算工況的設(shè)置

為了方便對有限元各種載荷計算結(jié)果的分析與比較，按照內(nèi)散規(guī)4.4小節(jié)規(guī)范規(guī)定，該型船用燃料罐的有限元計算共設(shè)置了如下7種載荷計算工況，詳見下面表3說明。

4.3 邊界條件

不考慮鞍座底部與船體結(jié)構(gòu)連接細節(jié)，只在滑動端鞍座設(shè)置簡支約束，在固定端鞍座設(shè)置固支約束。

表3 有限元計算載荷工況的設(shè)置

5 主體結(jié)構(gòu)的靜強度評定

5.1 受壓元件評定

主要輸出第四強度當(dāng)量應(yīng)力（用符號σxd4 表示，應(yīng)力單位：MPa）、各方向應(yīng)力分量σy、σz、τyz（針對鞍座結(jié)構(gòu)）。玻璃鋼支撐管件額外輸出若干計算載荷工況下的最大剪應(yīng)力，如τyz方向剪應(yīng)力等。根據(jù)該型燃料罐產(chǎn)品內(nèi)外罐主體結(jié)構(gòu)等主要受壓元件在七種計算工況下的應(yīng)力計算結(jié)果，采用應(yīng)力分類的方法進行產(chǎn)品主體結(jié)構(gòu)的強度極限評定，計算于評價結(jié)果列于表4。

表4 計算結(jié)果及評定

注:=147 MPa為S30408在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力。

5.2 非受壓元件評定

根據(jù)該型燃料罐產(chǎn)品鞍座等非受壓元件在七種計算工況下的應(yīng)力計算結(jié)果及評價結(jié)果列于表5。

表5 計算結(jié)果及評定

注：表格中剪切應(yīng)力用*表示，玻璃鋼需用應(yīng)力為140 MPa，許用剪切應(yīng)力為20 MPa。

另外，鞍座結(jié)構(gòu)需根據(jù)船體方向評價，在設(shè)置的7種載荷工況下，鞍座船寬方向上的最大應(yīng)力為87.7 MPa，型深方向最大應(yīng)力為118.1 MPa，最大中面應(yīng)力為148.1 MPa，最大剪應(yīng)力為68.3 MPa，根據(jù)《內(nèi)河散裝運輸液化氣體船舶建造于設(shè)備規(guī)范》中4.5.2小節(jié)以及《鋼制內(nèi)河船舶建造規(guī)范》第一篇1.9.7.7和1.9.4.2內(nèi)容規(guī)定：支座與支座防傾肘板應(yīng)滿足與其在同一平面內(nèi)的實肋板或底縱桁的強度標(biāo)準(zhǔn)，即船寬和型深方向上的中面應(yīng)力以及板上的剪應(yīng)力應(yīng)分別小于175/K =141.8 MPa、91/K=73.8 MPa；另外當(dāng)網(wǎng)格大小不大于50 mm×50 mm時，細化網(wǎng)格單元處應(yīng)力不應(yīng)大于1.6×235/K=304.9 MPa，合格。

上文中K依據(jù)散化規(guī)A4.2.2.1取值，即S30408奧氏體不銹鋼的材料轉(zhuǎn)化系數(shù)為K=235/ReHT=1.233 (其中ReHT= -40ln(T) + 127+Rp0.2 =190.52)。

圖5 內(nèi)支撐位置在橫搖10°工況下的σxd4云圖

圖6 內(nèi)加強圈在橫搖10°工況下的σxd4云圖

圖7 玻璃鋼在橫搖10°工況下的σxd4云圖

圖8 玻璃鋼在橫搖10°工況下的σxd4云圖

圖9 鞍座在橫搖10°工況下的σxd4云圖

6 結(jié) 論

參照CCS船級相關(guān)規(guī)范，該型加注躉船用LNG燃料罐產(chǎn)品內(nèi)外罐主體結(jié)構(gòu)等的計算模型在設(shè)置的7種載荷計算工況下，所選定的內(nèi)外罐主體及鞍座結(jié)構(gòu)等若干個局部應(yīng)力較大位置(最危險)上的應(yīng)力評定是滿足于各自的許用極限值（或許用極限范圍）；說明該型船用燃料罐產(chǎn)品主體結(jié)構(gòu)等的強度極限評定合格。

［1］CCS-2021.液化天然氣燃料加注躉船規(guī)范[S].

［2］CCS-2018.內(nèi)河散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范[S].

［3］CCS-2018.散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范[S].

［4］CCS-2016. 鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范[S].

［5］錢紅華，楊陽，李曉晨. 基于BV船級社規(guī)范船用燃料罐有限元分析及計算[J]. 遼寧化工，2019，11 (1)：1160-1162．

［6］李曉晨，楊陽. 船用LNG儲罐的防波板設(shè)計[J]. 遼寧化工，2019，2 (6)：28-32．

FEM CalculationandEvaluationof LNG Fuel Tank for Bunkering Pontoons

,,,

（Zhangjiagang CIMC Sanctum Cryogenic Equipment Co., Ltd., Suzhou Jiangsu 215632, China）

Based on CCS-2021, taking 250 m3LNG fuel tank as an example, the stress evaluation and FEM calculation for internal and external support structure between the container and the saddle structure of tank with inertial load under the normal operation life were carried out. The calculation results meet the requirements of classification society for review.

CCS; LNG fuel tank for bunkering pontoons; FEM calculation; Stress calculation

2021-11-4

楊陽（1988-），女，工程師，碩士，內(nèi)蒙古赤峰市人，2014年畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)動力工程專業(yè)，研究方向：低溫壓力容器有限元計算工作

TQ051.4

A

1004-0935（2022）03-0402-04