基于最大剪应力理论灌装LNG集装箱强度校核

吕志庆等

摘 要：LNG罐式集装箱由于具有装载量大，运输成本低廉等特点，因此在石油化工行业得到广泛应用。但由于是最危险的第三类压力容器，并且在低温工作环境下受到包括设计压力、静压力、惯性力在内的复杂载况，因此LNG罐式集装箱的结构强度安全尤为重要。该文对45英尺LNG罐式集装箱进行了有限元建模，基于最大剪应力理论，对该集装箱在常温、低温工作环境下的四种惯性力载况进行了强度校核，证明了45英尺罐式集装箱的结构安全性。

关键词：罐式集装箱 结构强度 最大剪应力理论 惯性力

中图分类号：U66 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（b）-0095-02

伴随着21世纪全世界的经济发展和石油能源的不断耗尽，全世界新能源（主要是液化天然气（简称LNG）替代石油能源）的需求越来越大。因LNG储藏的分布不均，目前主要以管道运输及船舶运输为主，在船舶运输中主要以大型LNG运输船为主要的运输方式，集装箱灌装LNG船运输是十分必要的补充。

LNG具有易燃、易爆的特性，所以罐式集装箱属于最危险的第三类压力容器，在运输中可能发生的情况比较复杂，不仅要承受内压或外压载荷，还会受到惯性力的作用，以及低温工作状态下的低应力脆性断裂。该文应用有限元法对45英尺LNG罐式集装箱进行数值建模，基于最大剪应力理论，计算并校核设计压力、静压力、惯性力联合作用下的结构强度，以保证其在工作温度范围内（分常温和低温）正常运行，有着重要的实际意义。

1 有限元建模

1.1 结构与材料

45英尺LNG罐式集装箱结构由罐体、阀门仪表箱、气控箱及框架等构成。

罐体由内、外容器构成。内容器材料为S30408（06Cr19Ni10、0Cr18Ni9）；外壳材料为Q345R（16MnR）。

1.2 主要技术参数

45英尺LNG罐式集装箱的主要技术参数如表1所示。

1.3 有限元模型

根据厂家提供的结构图纸和设计参数，应用商业有限元软件Ansys12.0，对45英尺LNG罐式集装箱进行有限元建模。罐体结构采用壳单元Shell63，封头和罐体的厚度不同，通过设置不同的实常数来实现；框架结构采用梁单元Beam188，可指定任意梁截面形式和尺寸。

在罐体上有温度计、气路阀、安全阀、深井泵等部件，因它们形成的开孔较小，不会对强度造成较大的影响，故不对这些小的零件建模。因为保温层的质量相对于总质量很小，且不易破损，所以保温层的影响被忽略，不进行建模。

2 载荷施加与边界条件

按照JB/T4781-2005《液化气体罐式集装箱》等标准的要求，集装箱罐式的强度校核要考虑以下载荷。

（1）设计载荷：

内容器：0.76MPa；夹层：-0.1MPa。

（2）液柱静压力荷：

装载量达到额定质量时的液柱静压力。

（3）惯性力设计载荷：

a.在X轴方向施加2倍重力加速度（2g）；

b.在Y轴方向施加1倍重力加速度（g）；

c.在Z轴方向顶部向上施加1倍重力加速度（g）；

d.在Z轴方向底部向下施加2倍重力加速度（2g）。

X轴：罐式集装箱长轴方向；

Y轴：罐式集装箱短轴水平方向；

Z轴：罐式集装箱短轴向上方向。

根据上述载荷可以组合以下4种设计工况：

* 工况一：设计压力+自重+X轴方向、大小为设计重量乘以2倍重力加速度的惯性力；

* 工况二：设计压力+自重+Y轴方向、大小为设计重量乘以1倍重力加速度的惯性力；

* 工况三：设计压力+Z轴向上方向、大小为设计重量乘以1倍重力加速度的惯性力；

* 工况四：设计压力+Z轴向下方向、大小为设计重量乘以2倍重力加速度的惯性力。

约束条件：在框架底部支承处加全约束。

2.1 液柱静压力加载

液柱最大静压强为：

式中：460kg/m3为密度；

1848mm为罐内液面高度。经过计算基础为LNG的充装率为90%，罐体内径为2200mm。

2.2 惯性力加载

按照四种工况和罐式集装箱的几何尺寸，当集装箱分别受不同工况的惯性力时，平均压强的计算，见表2。

3 强度校核标准

按照JB4732-2005的规定，可以查表得到所用材料在使用温度的设计应力强度，如果表中没有所用材料，则材料在使用温度的设计应力强度取σs/l.5（屈服强度）和σb/2.6（抗拉强度）中的较小值。

在低温工作（-196℃）环境下，按照船级社标准，在低温工作环境下，内容器设计应力强度应取σs/6和50MPa中的较小值。

参照JB4732-2005的规定，在以下计算中，将提取框架和罐体的一次局部薄膜应力强度加弯曲应力强度进行强度校核，校核满足条件为：。

罐式集装箱各部件的设计应力强度和许用应力强度，见表3。

4 强度计算与校核

分别校核罐式集装箱在常温、低温（-196℃）工作状态下的结构强度。

4.1 常温环境下强度校核

在常温环境下，按照平均压强法加载，分三部分考查罐式集装箱的结构安全，分别是内容器（含支撑结构）、外壳、框架结构。分别计算结构在四种工况作下用的应力强度，并与许用应力强度相比较，结果如表4所示。可见在常温环境下，各结构的应力强度满足设计要求，因此该罐式集装箱在常温工作时结构安全。

内容器的应力强度最大值出现在内容器与外壳之间的支撑结构处；外壳与框架的应力强度最大值出现在外壳与框架的连接处。

4.2 低温环境下强度校核

在低温环境下，按照平均压强法加载，分别计算结构在四种工况作用下的应力强度，并与许用应力强度相比较，结果如表5示。可见在低温环境下，各结构的应力强度满足设计要求，因此该罐式集装箱在低温工作时结构安全。

内容器的应力强度最大值出现在内容器与外壳之间的支撑结构处；外壳与框架的应力强度最大值出现在外壳与框架的连接处。

该文对45英尺LNG罐式集装箱进行了有限元建模，根据JB/T4781-2005《液化天然气罐式集装箱》规定校核的四种惯性力以及设计压力、液柱静压力，对模型进行了四种组合工况的加载。

分别校核在常温和低温（-196℃）工作环境下该四种工况的结构强度，通过有限元计算，该罐式集装箱的应力强度满足设计要求，因此该罐式集装箱在常温和低温工作环境中以及上述四种工况下，结构是安全的。

参考文献

[1] 中国船级社.装运输液化气体船舶构造与设备规范[S].北京：民交通出版社，2005.

[2] 全国锅炉压力容器标委会.液化气体罐式集装箱[S].北京：华社出版社，2005.

[3] 国家标准化管理委员会.液化气体铁道罐车.北京：国标准出版社出版社，2007.

[4] 国家技术监督局.钢制压力容器.北京：国标准出版社，1998.