LNG罐式集装箱内筒强度储备分布及设计中注意事项

蒋程程, 蔡永梅，谢禹钧

（辽宁石油化工大学 机械工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

LNG罐式集装箱内筒强度储备分布及设计中注意事项

蒋程程, 蔡永梅，谢禹钧

（辽宁石油化工大学 机械工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

LNG罐式集装箱是运输液态天然气的设备，较比CNG（压缩天然气）装置，它具有更大的单车运输量。LNG罐式集装箱装载的介质为低温，易燃。对其结构的安全分析是十分重要，必须对设备的各个部分强度进行详尽的分析。对LNG罐式集装箱罐体实际承载情形进行了模拟，通过有限元结构应力分析，给出了LNG罐式集装箱罐体的应力分布，分析了关键部位的强度储备，并提出了罐体改进设计的方案。

LNG罐式集装箱；罐体；强度储备

目前LNG罐式集装箱是全球运输液态天然气设备之一，也是管道输送天然气以外的陆路运输的重要设备。由于运输路线复杂多变，导致近年来运输事故频繁发生，所以对其设备各个部件的设计[1-5]，各种工况下强度分析非常重要，本文依据中国船级社《集装箱检验规范-2012》和 JB/T4784-2007《低温液体罐式集装箱》对LNG罐式集装箱的内筒进行应力分析，以下是通过CAE软件对罐式集装箱内筒体进行建模分析[6-8]，得出筒体强度及位移分布状态，最后通过筒体的强度校核提出了合理设计方法。

1 问题描述

以43 000 L罐式集装箱圆筒为例，考虑内筒在最大允许载荷下，能够承受的四种静态力工况。筒体材质选用s30408，基本设计参数如表1所示。

表1 结构参数Table 1 Structural parameters

利用ANSYS软件建立内筒模型，根据结构特点和载荷特性，采用了1/2轴对称的力学模型。如图1所示，采用具有中节点的六面体solid186单元进行网格划分，设置圆周方向线段的剖分数为20，筒体轴向剖分数为40，厚度方向线段的剖分数为1，对其进行网格划分，模型接触区应加密网格，如图2所示。取设计温度下的弹性模量E=1.95×1 05MPa ,泊松比μ=0.3。

2 分析计算

对模型设定轴向位移约束，保证筒体不出现整体移动，并对筒体内表面施加压力和相应的载荷。罐体在运输中会出现不同的载荷组合情况[2]，因此根据相关标准规定载荷组合工况如表2所示。

表2 载荷组合工况Table 2 The working condition of load combination

四种工况下筒体所受惯性力大小具体数值如下:

①运动方向（纵向）：额定质量的两倍重力加速度2mg。

通过计算得出封头上应施加压力为：P=247198(Pa)。

②与运动方向成直角的水平方向：额定质量的一倍重力加速度mg。

通过计算得出罐体侧面应施加压力为：P=8417(Pa) 。

③垂直向上：额定质量的一倍重力加速度mg。

通过计算得出罐体上半部应施加压力为：P= 8417(Pa)。

④垂直向下：额定质量的两倍重力加速度mg

通过计算得出罐体下半部应施加压力为：P= 16833(Pa)。

各工况下的第三强度当量应力分布云图和位移云图分别为图3-10所示。应力单位为MPa，位移单位为mm。

图1 筒体模型一分析模型Fig.1 The cylinder model analysis model

图2 筒体模型一网格Fig.2 Grid shell model

图3 工况1 位移分布云图Fig.3 The working condition 1 displacement distribution nephogram

图4 工况1 应力分布云图Fig.4 The working condition 1 stress distribution nephogram

图5 工况2位移分布云图Fig.5 The working condition 2 displacement distribution nephogram

图6 工况2 应力分布云图Fig.6 The working condition 2 stress distribution nephogram

图7 工况3 位移分布云图Fig.7 The working condition 3 displacement distribution nephogram

图8 工况3 应力分布云图Fig.8 The working condition 3 stress distribution nephogram

图9 工况4 位移分布云图Fig.9 The working condition 4 displacement distribution nephogram

图10 工况4 应力分布云图Fig.10 The working condition 4 stress distribution nephogram

3 校 核

通过应力状态云图发现4种工况最大应力都出现在一端封头与内筒体连接区域应力大于其他地方，主要是由于模型的形状突变，封头与筒体壁厚突变所引起的。

工况1一端封头与内筒体连接区域所受冲击应力大于其它工况，筒体所受压力沿轴线向另一端封头呈现逐渐递减，整个筒体受力比较均匀。位移也呈均匀梯度递增。封头另一端位移量最大。

工况2较比工况1一端封头连接区受力有所变小，筒体中部受力增大，位移量分布也相应有所变化。

工况3较比工况2封头连接区受力减小，筒体受力变得均匀，位移量在筒体中部出现最大。

工况4较比工况3封头连接区受力增加，筒体力分布变得更加均匀，位移量最大处靠近封头另一端即临近筒体。

根据JB4732——95《钢制压力容器——分析设计标准》将危险截面采用等效线性化处理，对校核截面上的应力进行分解，分别归入一次总体薄膜应力（Pm）；一次局部薄膜应力（PL）；一次弯曲应力（Pb）；二次应力（Q）；峰值应力（F）[9-11]。通过以上分析，共选取了4条危险路径，如图11所示，评定结果见表3。

通过计算，本文中的罐体在一端封头与筒体连接区出现应力较大，根据受力分布，可以在罐体受力较大的一端采用加长筒体再削边，将筒体长度延长微小长度,相应地封头减少微小长度,在微小长度范围内将筒体削边,这就相当于球心位置不变,在微小长度范围内对球壳进行了局部加厚,这样就可以使罐体总体受力更加均匀，然后再适当总体减小壁厚，可以达到节省材料，真正做到优化[12]。

4 结 论

通过对LNG罐式集装箱的安全评定，结合应力强度图可分析出应力变化，进而可以对结构进行合理的改进，对受力较小的区域可以适当减薄，对受力较大地方要适当补强或者加厚壁厚。这样既节省了材料，也降低了工程运输成本。

图11 模型一应力线性化路径Fig.11 Stress linearization model path

表3 各应力评定路径的评定结果Table 3 The assessment results of the stress evaluation path

［1］GB150-1998钢制压力容器[S]．

［2］集装箱检验规范-2012[S].

［3］JB/T4780-2002液化天然气罐式集装箱[S].

［4］JB/T4784-2007低温液体罐式集装箱[S].

［5］JB4732-1995钢制压力容器—分析设计标准[S].

［6］于伟炜，高炳军等.ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].北京：中国水利水电社,2007:84-97.

［7］王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003.

［8］颜云军，谢里阳，韩清凯.结构分析中的有限单元法及其应用[M].沈阳：东北大学出版社，2008.

［9］刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2009.

［10］郜愿锋，李明，张旭.压力容器球形封头与筒体连接结构分析[J].锅炉制造，2010:53-55.

［11］胡宗柳，吴明，刘永峰，等.基于有限元法的球罐强度可靠性分析[J].辽宁石油化工大学学报，2011,31（4）:26-28.

［12］陆明万，徐鸿.分析设计中若干重要问题的讨论（一）[J].压力容器,2006，23(1)：15-19.

LNG Tank Container Inner Barrel Strength Distribution and Points for Attention in the Design

JIANG Cheng-cheng, CAI Yong-mei, XIE Yu-jun
（College of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

LNG tank container is an equipment to transport liquefied natural gas. Compared with CNG (compressed natural gas) device, it has bigger loading. Goods in LNG tank container are low temperature or flammable, so safe analysis of LNG tank container structure is very important, it is important to detailedly analyze the strength of all parts of the equipment. In this paper, LNG tank container tank under actual burden was simulated; stress distribution of LNG tank container tank was obtained through the finite element stress analysis, the strength reserve of important parts was analyzed, and improving design plan of the tank was put forward.

LNG tank container ; Tanks; Strength reserve

TQ 051

A

1671-0460（2014）12-2555-03

2014-04-29

蒋程程（1988-），女，辽宁抚顺人，在读研究生，研究方向：LNG罐式集装箱评定。E-mail：798131826@qq.com。