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 陳瓏彥，徐永雨

 （華潤(rùn)（南京）市政設(shè)計(jì)有限公司，江蘇  南京  210000）

摘要：高真空超低溫泵池運(yùn)行在-162℃的低溫環(huán)境且受1.6 M Pa的內(nèi)壓，、是特種超低溫壓力容器。為研究其結(jié)構(gòu)的安全可靠性，借助ANSYS軟件，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合瞬態(tài)應(yīng)力分析。結(jié)果表明：各環(huán)境溫度下泵池的強(qiáng)度符合許用應(yīng)力要求，環(huán)境溫度越高產(chǎn)生的熱應(yīng)力越大；安全閥開(kāi)啟值宜設(shè)定為1.2M Pa～1.4 M Pa。

關(guān)鍵詞：泵池；有限元分析；應(yīng)力強(qiáng)度；瞬態(tài)分析；ANSYS中圖分類號(hào)：TP3 91.7

 0引言

 液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡(jiǎn)稱LNG）是當(dāng)今世界公認(rèn)的清潔能源，城市公交車和出租車已經(jīng)廣泛使用LNG為燃料Ⅲ，管路、泵池和儲(chǔ)罐是橇裝式LNG加液站的重要組成部分。Son H．Ho等模擬出LNG儲(chǔ)罐內(nèi)部管路的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)；Man-SikMyeong等為研究在受壓和彎曲共同作用下管道連接處的極限載荷和裂紋情況，建立了管道及其連接處的三維模型，并進(jìn)行了有限元仿真；M. Moslemi等采有流固耦合有限元法，模擬了LNG儲(chǔ)罐在地震中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；Jianyun Shi等研究了在外部極端情況下儲(chǔ)罐的失效狀況。由此可見(jiàn)，目前的研究多集中于管路和儲(chǔ)罐，而鮮有關(guān)于橇裝式LNG加液站中泵池的研究。泵池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行過(guò)程中需要承受-162℃的超低溫和1.6 M Pa內(nèi)壓的耦合作用，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，既要保證良好的絕熱性能又要確保安全可靠性，因此泵池是橇裝式LNG加液站的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和關(guān)鍵部分。

 本文運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)某公司的高真空超低溫泵池進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合瞬態(tài)分析，以期得到實(shí)際運(yùn)行時(shí)不同環(huán)境溫度下的應(yīng)力分布狀況，同時(shí)模擬了應(yīng)力隨運(yùn)行時(shí)間的變化關(guān)系，為高真空超低溫泵池的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定參考。

1高真空超低溫泵池的物理模型

 結(jié)合目前某公司的泵池產(chǎn)品，采用三維軟件UG建立高真空超低溫泵池的三維模型，如圖1所示。

 內(nèi)簡(jiǎn)體裝配在外簡(jiǎn)體里面，兩簡(jiǎn)體之間夾層抽成高真空，外筒體暴露在外界環(huán)境中，工作時(shí)LNG從進(jìn)液口進(jìn)入，從出液口流出，由于熱傳導(dǎo)的作用，LNG會(huì)逐步氣化，增大內(nèi)筒體和進(jìn)、出液管的內(nèi)壓力。

2泵池?zé)?結(jié)構(gòu)耦合瞬態(tài)分析

 首先進(jìn)行熱分析，然后將溫度場(chǎng)載荷加載到瞬態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中，材料選取S30408不銹鋼，其密度為7750 kg/m3，彈性模量為1.93×1011 Pa，泊松比為0. 31，固體間熱傳導(dǎo)系數(shù)為15.1 W／(m2．℃)，空氣熱交換系數(shù)為5 W／(m2．℃)，內(nèi)筒體的設(shè)計(jì)壓力和溫度分別為1.6 M Pa和-162℃，外簡(jiǎn)體的設(shè)計(jì)壓力和溫度分別為-0.1 M Pa和50℃。

 圖2為環(huán)境溫度分別為-20℃、0℃和50℃三種工況下泵池內(nèi)筒體、進(jìn)液管道和出液管道的內(nèi)壓力一時(shí)間函數(shù)關(guān)系。

3討論分析

 有限元模擬分析得到的泵池最大von Mises應(yīng)力云圖如圖3所示。

 在工況1～工況3下，隨著LNG的不斷氣化，當(dāng)內(nèi)簡(jiǎn)體壓力達(dá)到1.6 M Pa，進(jìn)、出液管的壓力達(dá)到1 M Pa時(shí)，最大von Mises應(yīng)力分別為225. 54 M Pa、229. 28 M Pa和239. 03 M Pa，且都表現(xiàn)為拉應(yīng)力，位于內(nèi)筒體進(jìn)液口管道的外壁。

 圖4為各工況下最大von Mises應(yīng)力和軸向、徑向、環(huán)向應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線。

 由圖4可以得出：0 s～100 s之間，各類應(yīng)力值都較小，100 s～125 s之間，應(yīng)力值階躍式增加，并在125 s后趨于平穩(wěn)，由此可知，應(yīng)力值隨著內(nèi)壓力的增加而增大，徑向應(yīng)力相對(duì)較小，而環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力較大，這是由于內(nèi)外簡(jiǎn)體和進(jìn)、出液管道為薄壁圓筒類零件，在內(nèi)壁承受內(nèi)壓載荷時(shí)，主要產(chǎn)生軸向和環(huán)向應(yīng)力。

 不同溫度下von Mises應(yīng)力和軸向、徑向、環(huán)向應(yīng)力的極值如表1所示。由表1可以發(fā)現(xiàn)，隨著外界溫度的升高，von Mises應(yīng)力和軸向、徑向和環(huán)向應(yīng)力也會(huì)隨之增大。即使采用了高真空設(shè)計(jì)，但是由于零件之間的熱傳導(dǎo)，外界環(huán)境對(duì)內(nèi)簡(jiǎn)體依然存在一定的影響。泵池使用時(shí)內(nèi)簡(jiǎn)體溫度在-162℃，外界環(huán)境溫度越高，產(chǎn)生的溫差就越大，因而產(chǎn)生的熱應(yīng)力就越大。

 內(nèi)簡(jiǎn)體進(jìn)液管在工況3下150 s時(shí)出現(xiàn)von Mises應(yīng)力最大值，需校核此最危險(xiǎn)部位的強(qiáng)度。沿壁厚方向作應(yīng)力線性化分析，得到的各類應(yīng)力分解結(jié)果如圖5所示。

 (2)線性化處理結(jié)果顯示進(jìn)液管處的峰值應(yīng)力變化幅度很小，且最大值也僅為12. 826 M Pa，故峰值應(yīng)力幾乎不會(huì)對(duì)進(jìn)液管造成嚴(yán)重的疲勞破壞。

4結(jié)論

 (1)采用ANSYS有限元數(shù)值模擬的方法，對(duì)高真空超低溫泵池的各項(xiàng)應(yīng)力進(jìn)行了非線性熱-結(jié)構(gòu)瞬態(tài)分析，結(jié)果表明，泵池基本能適應(yīng)外界多變的溫度和自身內(nèi)壓的變化，結(jié)構(gòu)較為合理，具有一定的安全性和可靠性。

 (2) LNG的超低溫對(duì)泵池產(chǎn)生的熱應(yīng)力是無(wú)法避免的，但由于氣化引起的內(nèi)壓變化則是可以控制的。當(dāng)內(nèi)筒體內(nèi)的LNG氣化量較少、引起的內(nèi)壓載荷較低時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力較小，但是當(dāng)內(nèi)壓上升到1.6 M Pa后，最大應(yīng)力出現(xiàn)突然增大的情形，這需要極力避免。因此，泵池上需加裝安全放散閥，但安全閥的開(kāi)啟壓力不應(yīng)過(guò)低，過(guò)低會(huì)提高安全閥的開(kāi)啟頻率，增加天然氣放散卸壓造成的浪費(fèi)，綜合考慮后安全閥的開(kāi)啟壓力宜設(shè)定在1.2 M Pa～1.4 M Pa。

 (3)泵池的外界溫度越高，與內(nèi)部的溫差越大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力就越大。因此，為進(jìn)一步提高其絕熱性能，在強(qiáng)度符合的條件下，應(yīng)減少內(nèi)筒體與外界部件的接觸面積，達(dá)到減小熱傳導(dǎo)的目的。