一種用于LNG軟管輸送系統(tǒng)緊急脫離裝置;的有限元分析

蒙學(xué)昊,張海濤,夏華波,韋曉強(qiáng),周毅

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300452)

隨著LNG動(dòng)力船、雙動(dòng)力船、LNG加注船、FLNG、FSRU等海上終端平臺(tái)的不斷增長(zhǎng),LNG軟管輸送系統(tǒng)[1]的需求也隨之增長(zhǎng)。緊急脫離裝置(ERS)[2]是LNG軟管輸送系統(tǒng)的一個(gè)重要安全部件,其固定端通過螺栓固定于加注終端管匯法蘭或變徑等接頭上,脫離端與低溫輸送軟管相連,見圖1。緊急脫離裝置在連接輸送狀態(tài)下承受了內(nèi)部LNG流體的壓力,外部軟管等部件的拉力,以及風(fēng)載、冰載等多種自然載荷作用,是輸送系統(tǒng)中承受載荷比較復(fù)雜的裝置,需要對(duì)其進(jìn)行整體應(yīng)力分析,通過數(shù)據(jù)校核緊急脫離裝置是否能滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

圖1 緊急脫離裝置布局

1 緊急脫離裝置機(jī)構(gòu)

1.1 抱箍機(jī)構(gòu)載荷計(jì)算

在整個(gè)緊急脫離裝置中,抱箍機(jī)構(gòu)是用來夾緊緊急脫離閥的固定端和脫離端,夾緊作用通過抱箍的夾緊錐面,配合螺桿和螺母的鎖緊以及頂塊來實(shí)現(xiàn)。由于抱箍對(duì)緊急脫離閥軸向和徑向都存在約束作用,根據(jù)力的傳遞作用可知,抱箍機(jī)構(gòu)同樣承載著雙閥內(nèi)部LNG流體壓力產(chǎn)生的軸向和徑向載荷,軟管及輸送LNG流體載荷,冰載荷,風(fēng)載荷等多種載荷,是緊急脫離裝置中受力較大、應(yīng)力比較集中的零件,需要對(duì)抱箍機(jī)構(gòu)各部件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析[3-5],以驗(yàn)證抱箍機(jī)構(gòu)是否滿足結(jié)構(gòu)安全要求。見圖2。

圖2 設(shè)計(jì)壓力下抱箍機(jī)構(gòu)受力分析

通過受力分析,抱箍機(jī)構(gòu)同樣承受裝置的載荷,同時(shí),由于抱箍夾緊錐面以60°的夾角夾緊緊急脫離閥,見圖3。因此,根據(jù)力的傳遞可得,抱箍還承受內(nèi)外部載荷的徑向分力。

圖3 抱箍徑向受力分析

不同工況下,在設(shè)計(jì)壓力情況下,根據(jù)抱箍夾緊錐面角度和實(shí)際夾緊效果可知,徑向分力F1=F軸/tan60°

不同工況下,在測(cè)試壓力情況下,根據(jù)抱箍夾緊錐面角度和實(shí)際夾緊效果可知,徑向分力F2=F軸/tan60°

因此,根據(jù)圖2,抱箍安裝到位后,通過鎖緊螺母鎖緊固定,鎖緊螺柱最小直徑處為20 mm。各個(gè)工況下,在設(shè)計(jì)壓力下,鎖緊螺柱端和連接頂塊端受力F′=F1/2;在測(cè)試壓力下,鎖緊螺柱端和連接頂塊端受力F″=F2/2。

1.2 液壓缸選型計(jì)算

緊急脫離裝置液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主體為液壓缸,可提供動(dòng)力驅(qū)使緊急脫離裝置閥門關(guān)閉和開啟,液壓桿完全伸出時(shí)驅(qū)動(dòng)閥門打開,液壓桿完全縮回時(shí)驅(qū)動(dòng)閥門關(guān)閉。同時(shí),閥門關(guān)閉后,液壓缸持續(xù)作用拉斷螺釘,直至破壞拉斷螺釘,打開抱箍,完成脫離。因此液壓缸需要驅(qū)動(dòng)閥門的開啟關(guān)閉,破壞拉斷螺釘以及推動(dòng)抱箍打開。

選擇液壓缸缸徑63 mm,桿徑35 mm,工作壓力為16～21 MPa的液壓油缸。選型參數(shù)見表1。

表1 液壓油缸參數(shù)

1.3 驅(qū)動(dòng)拉斷螺釘

拉斷螺釘采用M8×25螺釘改制,中間最小截面的直徑為3 mm,根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》,拉斷力為

F=σb·S

式中:F為拉斷力,N;σb為材料極限強(qiáng)度,MPa,σb=[σ]×n,[σ]為材料許用應(yīng)力,n為安全系數(shù),取1.2～1.7;S為螺釘最小截面積,S=πd2/4,d為最小直徑,得S=7 mm2。

因此可得拉斷力為F=8 330 N,小于液壓缸的拉力,即液壓缸拉力可保證拉斷螺釘破壞。

如圖4所示,在測(cè)試壓力下,連接頂塊端受水平力F″=F2/2,其中F2=F軸/tan60°,在測(cè)試壓力下,經(jīng)計(jì)算,F軸=FL+DL+PLT=92 961.2 N,因此連接頂塊端受水平力F″=26 835 N。

圖4 抱箍打開受力分析

分析可得,F拉1=F″×tan30°=15 493 N,小于液壓缸拉力,即液壓缸拉力可保證抱箍打開。

2 工況分析

針對(duì)緊急脫離裝置所受的各種載荷情況,設(shè)計(jì)其在不同狀態(tài)下的載荷組合,整理載荷工況表見表2。允許設(shè)計(jì)應(yīng)力為基本允許設(shè)計(jì)應(yīng)力×給定K系數(shù)。

表2 載荷工況

表中:

DL為恒定載荷;EL為地震載荷;FL為流體載荷;PL=設(shè)計(jì)壓力載荷;PLT=測(cè)試壓力載荷;TL=熱載荷;WLS=存放狀態(tài)風(fēng)載;WLO=工作狀態(tài)風(fēng)載;WLM=維護(hù)狀態(tài)風(fēng)載。

根據(jù)技術(shù)要求,軟管總長(zhǎng)度為25 m,緊急脫離裝置載荷設(shè)計(jì)計(jì)算過程中考慮一半的軟管長(zhǎng)度(緊急脫離裝置和快速連接裝置各承擔(dān)一半),即為12.5 m,其中軟管外徑的d2=355 mm,內(nèi)徑d3=200 mm,質(zhì)量20 kg/m。緊急脫離裝置承載部件考慮25 mm的冰堆積厚度。同時(shí),根據(jù)工作區(qū)域?qū)嶋H海況條件,工作風(fēng)載考慮22 m/s,極端風(fēng)載考慮70 m/s。

在載荷方面,工況10壓力測(cè)試狀態(tài)下的載荷組合最復(fù)雜,載荷力最大,在剩余9種工況下屬于最危險(xiǎn)工況。同時(shí),根據(jù)表2載荷工況表,在容許應(yīng)力方面,工況5連接狀態(tài)下的容許應(yīng)力系數(shù)最低,容許應(yīng)力最低,屬于最危險(xiǎn)工況。因此有限元模擬分析時(shí)取工況5和工況10進(jìn)行分析,來計(jì)算緊急脫離裝置在這兩種工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3 傳熱溫度場(chǎng)有限元分析

對(duì)緊急脫離裝置在內(nèi)部通有低溫LNG時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行傳熱分析,以確定裝置各個(gè)部位的溫度場(chǎng)分布情況,為后續(xù)不同溫度下的結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算提供基礎(chǔ)。

3.1 模型建立

以緊急脫離裝置模型為基礎(chǔ),已知裝置內(nèi)部通有低溫LNG流體,設(shè)置模型內(nèi)部表面的溫度為-165 ℃,求解此時(shí)裝置整體的溫度場(chǎng)分布。

簡(jiǎn)化緊急脫離閥閥體部分,以圓柱型式代替,保留雙閥夾緊部分。抱箍機(jī)構(gòu)去除對(duì)強(qiáng)度無影響的工藝倒角及細(xì)節(jié)特征,保留鎖緊部分和連接頂塊,并將鎖緊螺母和螺柱一體化,去除螺柱及螺母的螺紋部分,以最小截面積的直徑作為螺柱模型的外圓。簡(jiǎn)化模型在ABAQUS軟件中見圖5。

緊急脫離裝置采用316不銹鋼材料,模型中設(shè)置材料密度,彈性模量,泊松比等基本材料參數(shù),同時(shí)設(shè)置熱傳導(dǎo)系數(shù),比熱容,對(duì)流換熱系數(shù)以及熱輻射系數(shù)等材料傳熱參數(shù)。為簡(jiǎn)化計(jì)算,在傳熱分析中將分析模型各部件之間連接部分設(shè)為綁定約束,同時(shí)設(shè)置模型表面的對(duì)流換熱系數(shù)與熱輻射系數(shù),給定模型熱傳遞的環(huán)境溫度。

圖6 傳熱模型相互作用(換熱表面)

對(duì)分析模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,傳熱分析中設(shè)置單元類型為DC3D10十結(jié)點(diǎn)二次傳熱四面體單元。傳熱分析中預(yù)定義模型溫度場(chǎng),并且設(shè)置模型的溫度邊界條件。

3.2 結(jié)果顯示及分析

緊急脫離裝置模型的溫度場(chǎng)分布見圖7。

圖7 緊急脫離裝置整體溫度場(chǎng)分布云圖

從緊急脫離裝置整體的溫度場(chǎng)分布圖7可知,模型最高溫度-14.75 ℃,出現(xiàn)在遠(yuǎn)離LNG流體的抱箍安裝端圓柱軸及連接頂塊上。裝置各部件溫度值可以從溫度值表中讀取,由于抱箍尺寸較大,溫度值跨度較大,中間夾緊球閥的部位溫度值較低,約為-96.86 ℃,兩端溫度值較高,約為-15.10 ℃。螺桿部分溫度值約為-15.10 ℃。

4 強(qiáng)度有限元分析計(jì)算

對(duì)緊急脫離裝置整體應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析,尤其對(duì)涉及低溫下不同溫度場(chǎng)分布的工況10進(jìn)行分析計(jì)算。通過數(shù)據(jù)驗(yàn)證緊急脫離裝置各部分是否能滿足結(jié)構(gòu)安全要求。分別按工況5和工況10對(duì)模型施加各個(gè)載荷,然后計(jì)算緊急脫離裝置在工況5和工況10下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

在相互作用設(shè)置模塊,為簡(jiǎn)化計(jì)算,將分析模型接觸方式設(shè)置通用接觸,并且將螺桿與抱箍,抱箍與頂塊的接觸連接部分設(shè)定為綁定約束。對(duì)緊急脫離閥的脫離端端面施加中心點(diǎn)的耦合約束,方便后續(xù)對(duì)其施加載荷作用,見圖8。

圖8 工況10模型綁定與耦合約束

對(duì)分析模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,設(shè)置單元網(wǎng)格尺寸為5 mm,單元類型為C3D8R八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元減縮積分單元。

4.1 施加邊界條件與載荷

1)根據(jù)緊急脫離裝置實(shí)際布局情況,緊急脫離裝置固定端,抱箍鎖緊端兩側(cè)以及連接頂塊中間孔均設(shè)置為固定約束。

2)在緊急脫離裝置模型上分別施加工況5和工況10的各個(gè)載荷,見圖9,進(jìn)行受力分析。

圖9 模型邊界條件及載荷

4.2 結(jié)果顯示

工況5下緊急脫離裝置整體以及抱箍機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、位移云圖分別見圖10～12。

圖10 工況5緊急脫離裝置整體應(yīng)力云圖

工況10下緊急脫離裝置整體以及抱箍機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、位移云圖分別見圖13～15。

4.3 結(jié)果校核分析

根據(jù)EN 10028-7:2016標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中表E.1中316L材料在低溫下的屈服強(qiáng)度數(shù)值發(fā)現(xiàn),不銹鋼316L溫度越低,材料的屈服強(qiáng)度越高。同時(shí)根據(jù)ISO 16904規(guī)范中5.3.2.2條要求,承壓結(jié)構(gòu)件和非承壓結(jié)構(gòu)件的基本允許設(shè)計(jì)應(yīng)力應(yīng)取兩者中的較低者。

屈服強(qiáng)度/1.5;

奧氏體鋼的極限抗拉強(qiáng)度/3。

基本允許設(shè)計(jì)應(yīng)力Sd的計(jì)算見表3。

表3 基本允許設(shè)計(jì)應(yīng)力Sd MPa

根據(jù)GB 150.2-2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中表11承壓部件鍛件鋼的許用應(yīng)力值,同時(shí)根據(jù)4.4.2條規(guī)定,設(shè)計(jì)溫度低于20 ℃時(shí),取20 ℃時(shí)的許用應(yīng)力,查表可得此時(shí)許用應(yīng)力值為137 MPa,即此時(shí)的基本允許設(shè)計(jì)應(yīng)力Sd為137 MPa。

分別對(duì)工況5和工況10按照上述應(yīng)力值進(jìn)行校核,按照表1載荷工況表,工況5的容許應(yīng)力為0.8Sd=109.6 MPa,工況10的容許應(yīng)力為1.3Sd=178.1 MPa。

對(duì)于工況5,從圖10可知,緊急脫離裝置最大應(yīng)力出現(xiàn)在抱箍安裝端圓柱軸根部,最大應(yīng)力為93.94 MPa。從圖11可知,抱箍最大應(yīng)力發(fā)生在安裝端圓柱軸根部,最大應(yīng)力為41.46 MPa。從圖12可知,連接頂塊最大應(yīng)力發(fā)生在與安裝端圓柱軸接觸的弧面部位,最大應(yīng)力為93.94 MPa。三種情況均低于低于工況5要求的容許應(yīng)力109.6 MPa,因此連接頂塊部件符合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖11 工況5抱箍應(yīng)力云圖

圖12 工況5連接頂塊應(yīng)力云圖

對(duì)于工況10,從圖13可知,緊急脫離裝置最大應(yīng)力出現(xiàn)在抱箍安裝端圓柱軸根部,最大應(yīng)力為166.3 MPa。

從圖14可知,抱箍最大應(yīng)力發(fā)生在安裝端圓柱軸根部,最大應(yīng)力為65.35 MPa。從圖15可知,連接頂塊最大應(yīng)力發(fā)生在與安裝端圓柱軸接觸的弧面部位,最大應(yīng)力為146.5 MPa。三種情況均低于工況10要求的容許應(yīng)力178.1 MPa,因此連接頂塊部件符合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖13 工況10緊急脫離裝置整體應(yīng)力云圖

圖14 工況10抱箍應(yīng)力云圖

圖15 工況10連接頂塊應(yīng)力、位移云圖

5 結(jié)論

在載荷方面,工況10壓力測(cè)試狀態(tài)下的載荷組合最復(fù)雜,載荷力最大,在剩余9種工況下屬于最危險(xiǎn)。在10種工況中,通過線性疊加比較可得,工況10載荷力最大,屬于最危險(xiǎn)工況。工況5連接狀態(tài)下的容許應(yīng)力系數(shù)最低,容許應(yīng)力最低。因此有限元模擬分析時(shí)取工況5、和工況10進(jìn)行分析,來計(jì)算手動(dòng)快速連接器在這兩種工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

在工況5和工況10中,整個(gè)裝置最大應(yīng)力均出現(xiàn)在抱箍安裝端圓柱軸根部,抱箍最大應(yīng)力發(fā)生在安裝端圓柱軸根部,連接頂塊最大應(yīng)力發(fā)生在與安裝端圓柱軸接觸的弧面部位。后續(xù)應(yīng)考慮加強(qiáng)這3個(gè)部件的加強(qiáng)。