何慶中，王志鵬，鮑林曉，張艷玲

(1.四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000;2.洛陽(yáng)拖拉機(jī)研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039;3.南京南瑞國(guó)家電網(wǎng)有限責(zé)任公司，南京 210003)

引言

能源化工工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中具有不可替代的作用。作為清潔能源的天然氣，隨著我國(guó)能源化工工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)其需求與日俱增。CNG儲(chǔ)氣罐作為天然氣開(kāi)采、輸送和供給的重要設(shè)備，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)發(fā)展過(guò)程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。工程師們往往采取提高CNG儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體壓力和容積的方式，盡可能地提升儲(chǔ)氣罐的儲(chǔ)存效率。因此，對(duì)CNG儲(chǔ)氣罐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性和密封性的有限元分析，為工程設(shè)計(jì)提供有力的理論依據(jù)，具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

本文以某高壓容器企業(yè)自主研發(fā)的CNG儲(chǔ)氣罐快開(kāi)人孔結(jié)構(gòu)與密封性為研究對(duì)象，利用三維建模軟件建立其三維實(shí)體模型，再導(dǎo)入有限元軟件，采用有限元結(jié)構(gòu)應(yīng)力與接觸應(yīng)力分析計(jì)算方法，經(jīng)布爾運(yùn)算和網(wǎng)格劃分、材料屬性定義、約束和載荷定義，對(duì)儲(chǔ)氣罐筒體與人孔結(jié)構(gòu)及其密封性進(jìn)行分析計(jì)算，并依據(jù)JB4732-95［1］和GB150-2011［2］進(jìn)行結(jié)構(gòu)與密封性評(píng)價(jià)，并提出合理化建議，為CNG儲(chǔ)氣罐優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全性評(píng)價(jià)提供一定的理論依據(jù)。

1 儲(chǔ)氣罐的基本結(jié)構(gòu)

CNG儲(chǔ)氣罐內(nèi)裝高壓(27.5 MPa)的天然氣介質(zhì)，為儲(chǔ)氣罐筒體多層包扎結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)與上、下球體封頭、上球體封頭與快開(kāi)人孔端件之間的連接采用焊接結(jié)構(gòu)，上端面、密封件與人孔蓋的裝配形式為使用12顆M60×4緊固螺栓(調(diào)質(zhì))預(yù)緊。

CNG儲(chǔ)氣罐基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CNG儲(chǔ)氣罐的基本結(jié)構(gòu)

2 有限元計(jì)算及結(jié)果分析

2.1 三維模型的建立

對(duì)CNG儲(chǔ)氣罐結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，去除一些與有限元計(jì)算無(wú)關(guān)的特征。CNG儲(chǔ)氣罐的尺寸較大，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，因此可以沿CNG儲(chǔ)氣罐的縱向?qū)ΨQ(chēng)面切開(kāi)，以其1/4作為分析模型，如圖2所示。

圖2 CNG儲(chǔ)氣罐三維模型

在有限元應(yīng)力應(yīng)變分析時(shí)做如下假設(shè):

(1)在各焊接部位無(wú)焊接缺陷的條件下，焊接材料的機(jī)械性能應(yīng)不低于被焊接材料的機(jī)械性能，為便于理論分析計(jì)算，假設(shè)焊接材料的機(jī)械性能與被焊接材料的機(jī)械性能相同，其假設(shè)的分析計(jì)算結(jié)果是偏于安全的［3］。

(2)筒體為多層包扎結(jié)構(gòu)，分析計(jì)算時(shí)假設(shè)為整體結(jié)構(gòu)，其假設(shè)的分析計(jì)算結(jié)果偏于安全［4］。

(3)將儲(chǔ)氣罐筒體與上下球封頭的厚度視為一致，均為80 mm。

2.2 網(wǎng)格劃分

在實(shí)體模型進(jìn)行連續(xù)體布爾運(yùn)算檢驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)不連續(xù)處劃分較致密的網(wǎng)格單元，稀疏網(wǎng)格與致密網(wǎng)格之間通過(guò)過(guò)渡網(wǎng)格銜接。這樣可以在提高計(jì)算精度的同時(shí)，縮小模型的計(jì)算規(guī)模［5］。本模型共生成了64 914個(gè)節(jié)點(diǎn)和54 320個(gè)六面體網(wǎng)格單元。模型網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 模型的網(wǎng)格劃分

2.3 主要材料的力學(xué)性能

CNG儲(chǔ)氣罐的主要材料的力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要材料的力學(xué)性能［1］

2.4 工況載荷及邊界條件

CNG儲(chǔ)氣罐的主要工況參數(shù)由生產(chǎn)廠家提供，見(jiàn)表2。

表2 主要工況參數(shù)

根據(jù)工況條件，構(gòu)建CNG儲(chǔ)氣罐有限元分析模型的邊界條件。在CNG儲(chǔ)氣罐及快開(kāi)人孔結(jié)構(gòu)組件的環(huán)向螺栓連接處，以局部直角坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)，施加Z向完全約束，并在周向?qū)ΨQ(chēng)面處建立對(duì)稱(chēng)約束邊界條件。

根據(jù)工藝要求，CNG儲(chǔ)氣罐設(shè)計(jì)工況溫度為100℃，因此需要在CNG儲(chǔ)氣罐與介質(zhì)接觸的表面同時(shí)施加溫度載荷和數(shù)值為27.5 MPa的壓力載荷。由于材料在100℃與常溫(20℃)條件下的力學(xué)性能相近，因此在應(yīng)力校核時(shí)，采用材料在20℃條件下的力學(xué)性能參數(shù)。

天然氣儲(chǔ)氣罐快開(kāi)人孔結(jié)構(gòu)密封性的設(shè)計(jì)，是在快開(kāi)人孔上端面與人孔蓋之間增墊了一個(gè)材料為L(zhǎng)2的鋁合金密封墊片。在密封性分析計(jì)算時(shí)，依據(jù)天然氣儲(chǔ)氣罐快開(kāi)人孔密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，快開(kāi)人孔的密封性由12顆M60×4(調(diào)質(zhì))的螺栓緊固，每顆螺栓的預(yù)緊應(yīng)力設(shè)計(jì)為133.3 MPa，以保證工況載荷條件下密封墊片的密封性能［6］。載荷及邊界條件約束如圖4所示。

圖4 載荷及邊界條件約束圖

2.5 有限元計(jì)算結(jié)果及評(píng)價(jià)

2.5.1 CNG儲(chǔ)氣罐筒體有限元分析結(jié)果評(píng)價(jià)

沿CNG儲(chǔ)氣罐筒體內(nèi)壁自下球體封頭向快開(kāi)人孔端件方向作筒體Mises應(yīng)力圖的路徑，如圖5所示，其相應(yīng)的沿路徑方向的Mises應(yīng)力曲線如圖6所示。

由圖5與圖6可以看出，CNG儲(chǔ)氣罐的最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在CNG儲(chǔ)氣罐快開(kāi)人孔頸部，為175.4 MPa。依據(jù)JB4732-95、GB150-2011標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)定義和所設(shè)計(jì)的天然氣儲(chǔ)氣罐及快開(kāi)人孔結(jié)構(gòu)，快開(kāi)人孔頸部結(jié)構(gòu)屬于局部不連續(xù)結(jié)構(gòu)，對(duì)天然氣儲(chǔ)氣罐總的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形無(wú)顯著影響［7］。因此，快開(kāi)人孔頸部結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力按綜合應(yīng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn):SⅣ=Q≤3 Sm［1］。

CNG儲(chǔ)氣罐快開(kāi)人孔頸部選用的材料為Q345R，其許用應(yīng)力為181 MPa?？扉_(kāi)人孔頸部處:

說(shuō)明CNG儲(chǔ)氣罐設(shè)計(jì)符合材料的應(yīng)力極限要求，設(shè)計(jì)合理。

2.5.2 CNG儲(chǔ)氣罐快開(kāi)人孔結(jié)構(gòu)密封性分析

天然氣儲(chǔ)氣罐快開(kāi)人孔結(jié)構(gòu)密封性分析計(jì)算，重點(diǎn)研究其密封墊在緊固螺栓預(yù)緊力(應(yīng)力)和天然氣儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓載荷應(yīng)力作用下，分析計(jì)算預(yù)緊螺栓的應(yīng)力強(qiáng)度和因預(yù)緊螺栓受拉彈性變形引起密封墊片上、下密封接觸面的密封性。依據(jù)JB4732-95、GB150-2011標(biāo)準(zhǔn)對(duì)密封性的評(píng)判規(guī)范要求，其密封墊的上下斷面的密封接觸面不低于30%［1-2］。

根據(jù)緊固螺栓應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果(圖7)，最大的Mises應(yīng)力為178.8 MPa，未超過(guò)35CrMoA材料的許用應(yīng)力229 MPa，說(shuō)明M60×4緊固螺栓(調(diào)質(zhì))的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 螺栓Mises應(yīng)力圖

從圖8、圖9密封墊片的密封性能分析結(jié)果可以看出，在密封墊片上密封面非滑移接觸密封面接近25%，而非滑移接觸密封面與滑移接觸密封面之和大于90%，說(shuō)明密封墊片上密封面達(dá)到密封性能設(shè)計(jì)要求;對(duì)于密封墊片下密封面，盡管在下密封面未存在非滑移接觸密封面，但滑移接觸密封面所占比例也大于70%，表面密封墊片下密封面的密封性能也同樣達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖8 密封墊片上接觸面密封計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

綜上所述，說(shuō)明:

圖9 密封墊片下接觸面密封計(jì)算結(jié)果

(1)由某高壓容器企業(yè)開(kāi)發(fā)的CNG儲(chǔ)氣罐，其快開(kāi)人孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，緊固螺栓強(qiáng)度和密封墊片密封性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠滿足CNG儲(chǔ)氣罐快開(kāi)人孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性的要求。

(2)本文的分析結(jié)果為工廠工程技術(shù)人員的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了參考，其產(chǎn)品在工廠實(shí)際應(yīng)用中滿足了客戶的需求，創(chuàng)造了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］JB4732-95，鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］GB150-2011，鋼制壓力容器［S］.

［3］何慶中，袁宏遠(yuǎn).多層包扎壓力容器包扎焊接制造工藝改進(jìn)［J］.壓力容器，2008，25(10)：45-48.

［4］何慶中，袁宏遠(yuǎn)，王勇勤，等.多層包扎容器筒體預(yù)應(yīng)力分析計(jì)算方法［J］.化工機(jī)械，2010，37(2)：148-152.

［5］石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［6］關(guān)慶賀.壓力容器的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.裝備制造技術(shù)，2011(2)：47-48.

［7］唐 昕，雒定明.CNG地下儲(chǔ)氣井的應(yīng)力分析與疲勞分析［J］.天然氣與石油，2010，28(3)：49-53.