基于最大剪應力理論灌裝LNG集裝箱強度校核

呂志慶等

摘 要：LNG罐式集裝箱由于具有裝載量大，運輸成本低廉等特點，因此在石油化工行業得到廣泛應用。但由于是最危險的第三類壓力容器，并且在低溫工作環境下受到包括設計壓力、靜壓力、慣性力在內的復雜載況，因此LNG罐式集裝箱的結構強度安全尤為重要。該文對45英尺LNG罐式集裝箱進行了有限元建模，基于最大剪應力理論，對該集裝箱在常溫、低溫工作環境下的四種慣性力載況進行了強度校核，證明了45英尺罐式集裝箱的結構安全性。

關鍵詞：罐式集裝箱 結構強度 最大剪應力理論 慣性力

中圖分類號：U66 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0095-02

伴隨著21世紀全世界的經濟發展和石油能源的不斷耗盡，全世界新能源（主要是液化天然氣（簡稱LNG）替代石油能源）的需求越來越大。因LNG儲藏的分布不均，目前主要以管道運輸及船舶運輸為主，在船舶運輸中主要以大型LNG運輸船為主要的運輸方式，集裝箱灌裝LNG船運輸是十分必要的補充。

LNG具有易燃、易爆的特性，所以罐式集裝箱屬于最危險的第三類壓力容器，在運輸中可能發生的情況比較復雜，不僅要承受內壓或外壓載荷，還會受到慣性力的作用，以及低溫工作狀態下的低應力脆性斷裂。該文應用有限元法對45英尺LNG罐式集裝箱進行數值建模，基于最大剪應力理論，計算并校核設計壓力、靜壓力、慣性力聯合作用下的結構強度，以保證其在工作溫度范圍內（分常溫和低溫）正常運行，有著重要的實際意義。

1 有限元建模

1.1 結構與材料

45英尺LNG罐式集裝箱結構由罐體、閥門儀表箱、氣控箱及框架等構成。

罐體由內、外容器構成。內容器材料為S30408（06Cr19Ni10、0Cr18Ni9）；外殼材料為Q345R（16MnR）。

1.2 主要技術參數

45英尺LNG罐式集裝箱的主要技術參數如表1所示。

1.3 有限元模型

根據廠家提供的結構圖紙和設計參數，應用商業有限元軟件Ansys12.0，對45英尺LNG罐式集裝箱進行有限元建模。罐體結構采用殼單元Shell63，封頭和罐體的厚度不同，通過設置不同的實常數來實現；框架結構采用梁單元Beam188，可指定任意梁截面形式和尺寸。

在罐體上有溫度計、氣路閥、安全閥、深井泵等部件，因它們形成的開孔較小，不會對強度造成較大的影響，故不對這些小的零件建模。因為保溫層的質量相對于總質量很小，且不易破損，所以保溫層的影響被忽略，不進行建模。

2 載荷施加與邊界條件

按照JB/T4781-2005《液化氣體罐式集裝箱》等標準的要求，集裝箱罐式的強度校核要考慮以下載荷。

（1）設計載荷：

內容器：0.76MPa；夾層：-0.1MPa。

（2）液柱靜壓力荷：

裝載量達到額定質量時的液柱靜壓力。

（3）慣性力設計載荷：

a.在X軸方向施加2倍重力加速度（2g）；

b.在Y軸方向施加1倍重力加速度（g）；

c.在Z軸方向頂部向上施加1倍重力加速度（g）；

d.在Z軸方向底部向下施加2倍重力加速度（2g）。

X軸：罐式集裝箱長軸方向；

Y軸：罐式集裝箱短軸水平方向；

Z軸：罐式集裝箱短軸向上方向。

根據上述載荷可以組合以下4種設計工況：

* 工況一：設計壓力+自重+X軸方向、大小為設計重量乘以2倍重力加速度的慣性力；

* 工況二：設計壓力+自重+Y軸方向、大小為設計重量乘以1倍重力加速度的慣性力；

* 工況三：設計壓力+Z軸向上方向、大小為設計重量乘以1倍重力加速度的慣性力；

* 工況四：設計壓力+Z軸向下方向、大小為設計重量乘以2倍重力加速度的慣性力。

約束條件：在框架底部支承處加全約束。

2.1 液柱靜壓力加載

液柱最大靜壓強為：

式中：460kg/m3為密度；

1848mm為罐內液面高度。經過計算基礎為LNG的充裝率為90%，罐體內徑為2200mm。

2.2 慣性力加載

按照四種工況和罐式集裝箱的幾何尺寸，當集裝箱分別受不同工況的慣性力時，平均壓強的計算，見表2。

3 強度校核標準

按照JB4732-2005的規定，可以查表得到所用材料在使用溫度的設計應力強度，如果表中沒有所用材料，則材料在使用溫度的設計應力強度取σs/l.5（屈服強度）和σb/2.6（抗拉強度）中的較小值。

在低溫工作（-196℃）環境下，按照船級社標準，在低溫工作環境下，內容器設計應力強度應取σs/6和50MPa中的較小值。

參照JB4732-2005的規定，在以下計算中，將提取框架和罐體的一次局部薄膜應力強度加彎曲應力強度進行強度校核，校核滿足條件為：。

罐式集裝箱各部件的設計應力強度和許用應力強度，見表3。

4 強度計算與校核

分別校核罐式集裝箱在常溫、低溫（-196℃）工作狀態下的結構強度。

4.1 常溫環境下強度校核

在常溫環境下，按照平均壓強法加載，分三部分考查罐式集裝箱的結構安全，分別是內容器（含支撐結構）、外殼、框架結構。分別計算結構在四種工況作下用的應力強度，并與許用應力強度相比較，結果如表4所示。可見在常溫環境下，各結構的應力強度滿足設計要求，因此該罐式集裝箱在常溫工作時結構安全。

內容器的應力強度最大值出現在內容器與外殼之間的支撐結構處；外殼與框架的應力強度最大值出現在外殼與框架的連接處。

4.2 低溫環境下強度校核

在低溫環境下，按照平均壓強法加載，分別計算結構在四種工況作用下的應力強度，并與許用應力強度相比較，結果如表5示。可見在低溫環境下，各結構的應力強度滿足設計要求，因此該罐式集裝箱在低溫工作時結構安全。

內容器的應力強度最大值出現在內容器與外殼之間的支撐結構處；外殼與框架的應力強度最大值出現在外殼與框架的連接處。

該文對45英尺LNG罐式集裝箱進行了有限元建模，根據JB/T4781-2005《液化天然氣罐式集裝箱》規定校核的四種慣性力以及設計壓力、液柱靜壓力，對模型進行了四種組合工況的加載。

分別校核在常溫和低溫（-196℃）工作環境下該四種工況的結構強度，通過有限元計算，該罐式集裝箱的應力強度滿足設計要求，因此該罐式集裝箱在常溫和低溫工作環境中以及上述四種工況下，結構是安全的。

參考文獻

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