CNG储气罐快开人孔结构应力与密封性分析

2013-11-04何庆中王志鹏鲍林晓张艳玲

四川轻化工大学学报(自然科学版) 2013年1期

何庆中，王志鹏，鲍林晓，张艳玲

(1.四川理工学院机械工程学院，四川自贡 643000;2.洛阳拖拉机研究所有限公司，河南洛阳 471039;3.南京南瑞国家电网有限责任公司，南京 210003)

引言

能源化工工业作为国民经济的命脉，是国民经济发展的支柱产业之一，在国民经济和国防建设中具有不可替代的作用。作为清洁能源的天然气，随着我国能源化工工业的飞速发展，对其需求与日俱增。CNG储气罐作为天然气开采、输送和供给的重要设备，其具有结构简单、制造成本低和使用寿命长等优点，在工业发展过程中的应用越来越广泛。工程师们往往采取提高CNG储气罐内气体压力和容积的方式，尽可能地提升储气罐的储存效率。因此，对CNG储气罐的结构进行安全性和密封性的有限元分析，为工程设计提供有力的理论依据，具有十分重要的理论意义和工程应用价值。

本文以某高压容器企业自主研发的CNG储气罐快开人孔结构与密封性为研究对象，利用三维建模软件建立其三维实体模型，再导入有限元软件，采用有限元结构应力与接触应力分析计算方法，经布尔运算和网格划分、材料属性定义、约束和载荷定义，对储气罐筒体与人孔结构及其密封性进行分析计算，并依据JB4732-95［1］和GB150-2011［2］进行结构与密封性评价，并提出合理化建议，为CNG储气罐优化设计和安全性评价提供一定的理论依据。

1 储气罐的基本结构

CNG储气罐内装高压(27.5 MPa)的天然气介质，为储气罐筒体多层包扎结构，其结构与上、下球体封头、上球体封头与快开人孔端件之间的连接采用焊接结构，上端面、密封件与人孔盖的装配形式为使用12颗M60×4紧固螺栓(调质)预紧。

CNG储气罐基本结构如图1所示。

图1 CNG储气罐的基本结构

2 有限元计算及结果分析

2.1 三维模型的建立

对CNG储气罐结构进行适当的简化，去除一些与有限元计算无关的特征。CNG储气罐的尺寸较大，同时由于结构的对称性，因此可以沿CNG储气罐的纵向对称面切开，以其1/4作为分析模型，如图2所示。

图2 CNG储气罐三维模型

在有限元应力应变分析时做如下假设:

(1)在各焊接部位无焊接缺陷的条件下，焊接材料的机械性能应不低于被焊接材料的机械性能，为便于理论分析计算，假设焊接材料的机械性能与被焊接材料的机械性能相同，其假设的分析计算结果是偏于安全的［3］。

(2)筒体为多层包扎结构，分析计算时假设为整体结构，其假设的分析计算结果偏于安全［4］。

(3)将储气罐筒体与上下球封头的厚度视为一致，均为80 mm。

2.2 网格划分

在实体模型进行连续体布尔运算检验基础上，对应力集中和结构不连续处划分较致密的网格单元，稀疏网格与致密网格之间通过过渡网格衔接。这样可以在提高计算精度的同时，缩小模型的计算规模［5］。本模型共生成了64 914个节点和54 320个六面体网格单元。模型网格划分，如图3所示。

图3 模型的网格划分

2.3 主要材料的力学性能

CNG储气罐的主要材料的力学性能参数见表1。

表1 主要材料的力学性能［1］

2.4 工况载荷及边界条件

CNG储气罐的主要工况参数由生产厂家提供，见表2。

表2 主要工况参数

根据工况条件，构建CNG储气罐有限元分析模型的边界条件。在CNG储气罐及快开人孔结构组件的环向螺栓连接处，以局部直角坐标系为参考坐标，施加Z向完全约束，并在周向对称面处建立对称约束边界条件。

根据工艺要求，CNG储气罐设计工况温度为100℃，因此需要在CNG储气罐与介质接触的表面同时施加温度载荷和数值为27.5 MPa的压力载荷。由于材料在100℃与常温(20℃)条件下的力学性能相近，因此在应力校核时，采用材料在20℃条件下的力学性能参数。

天然气储气罐快开人孔结构密封性的设计，是在快开人孔上端面与人孔盖之间增垫了一个材料为L2的铝合金密封垫片。在密封性分析计算时，依据天然气储气罐快开人孔密封结构设计要求，快开人孔的密封性由12颗M60×4(调质)的螺栓紧固，每颗螺栓的预紧应力设计为133.3 MPa，以保证工况载荷条件下密封垫片的密封性能［6］。载荷及边界条件约束如图4所示。

图4 载荷及边界条件约束图

2.5 有限元计算结果及评价

2.5.1 CNG储气罐筒体有限元分析结果评价

沿CNG储气罐筒体内壁自下球体封头向快开人孔端件方向作筒体Mises应力图的路径，如图5所示，其相应的沿路径方向的Mises应力曲线如图6所示。

由图5与图6可以看出，CNG储气罐的最大Mises应力出现在CNG储气罐快开人孔颈部，为175.4 MPa。依据JB4732-95、GB150-2011标准的结构定义和所设计的天然气储气罐及快开人孔结构，快开人孔颈部结构属于局部不连续结构，对天然气储气罐总的结构应力和变形无显著影响［7］。因此，快开人孔颈部结构处的应力按综合应力进行评价。

评价标准:SⅣ=Q≤3 Sm［1］。

CNG储气罐快开人孔颈部选用的材料为Q345R，其许用应力为181 MPa。快开人孔颈部处:

说明CNG储气罐设计符合材料的应力极限要求，设计合理。

2.5.2 CNG储气罐快开人孔结构密封性分析

天然气储气罐快开人孔结构密封性分析计算，重点研究其密封垫在紧固螺栓预紧力(应力)和天然气储气罐内压载荷应力作用下，分析计算预紧螺栓的应力强度和因预紧螺栓受拉弹性变形引起密封垫片上、下密封接触面的密封性。依据JB4732-95、GB150-2011标准对密封性的评判规范要求，其密封垫的上下断面的密封接触面不低于30%［1-2］。

根据紧固螺栓应力分析计算结果(图7)，最大的Mises应力为178.8 MPa，未超过35CrMoA材料的许用应力229 MPa，说明M60×4紧固螺栓(调质)的强度满足设计要求。

图7 螺栓Mises应力图

从图8、图9密封垫片的密封性能分析结果可以看出，在密封垫片上密封面非滑移接触密封面接近25%，而非滑移接触密封面与滑移接触密封面之和大于90%，说明密封垫片上密封面达到密封性能设计要求;对于密封垫片下密封面，尽管在下密封面未存在非滑移接触密封面，但滑移接触密封面所占比例也大于70%，表面密封垫片下密封面的密封性能也同样达到了设计要求。