双燃料船用发动机LNG 气化器设计
2021-04-22史雷城王海鹏谢腾腾何义明武艳波冯森森
史雷城，王海鹏，谢腾腾，何义明，武艳波，冯森森
（上海蓝滨石化设备有限责任公司，上海 200000）
燃料油的燃烧不仅会产生大量烟气污染环境，同时由于燃料油的泄露还会污染水环境，因此，液化天然气（LNG）作为一种清洁的能源，是船用发动机燃料的最佳选择。与传统的船用柴油燃料相比，因为具有价格低、热值高、污染低等特点，LNG 越来越被广泛应用。LNG 作为船用双燃料发动机的能源，首先要气化成天然气，然后供给发动机使用。因此，LNG 气化器是供气系统中必不可少的关键设备，对发动机的供气品质至关重要[1-3]。
1 双燃料船用气化器
1.1 双燃料船用气化器的特点
船舶空间有限，长期漂浮在水上，船体易发生摆动和倾斜，因此，对船用气化器有着特殊的要求：换热效率高，结构紧凑；性能稳定可靠，操作方便。
1.2 采用发夹式换热器的优势
LNG 气化器的管程和壳程温差很大，由于发夹式换热器利用的是U 形管束，两块管板被单独设置，管束可以自由伸缩，具备了温差补偿效应，因此可以大大减小温差应力。
发夹式换热器的管程数和壳程数均为1，LNG和热源介质是纯逆流换热，因此，换热效率比较高。一般来说，发夹式换热器的壳体直径不是很大，对于介质流量小的工况，可以保证流体的流速达到合理水平，保持较高的传热效率，同时减少结垢，延长设备寿命。
2 气化器的设计
如图1 所示是具体工程项目设计的发夹式气化器：
图1 发夹式气化器简图
此台发夹式气化器各部件强度计算均根据GB 150-2011 常规设计计算，而平盖大开孔进行了局部结构应力分析。分析结果依据JB 4732-1995《钢制压力容器分析设计标准》(2005 年确认) 的相关要求进行评定[4]。
2.1 分析条件
2.1.1 设计参数
本分析基于设备设计参数及结构参数，采用校核的方式对给定结构进行有限元应力分析及评定，表1 列出了设计基本参数。本分析属局部结构应力分析，分析结果依据JB4732-1995《钢制压力容器分析设计标准》(2005 年确认)的相关要求进行评定。
表1 基本设计参数
2.1.2 结构参数
平盖及其连接筒体的结构形式及尺寸如图2，图3 所示。
图2 平盖与筒体连接图
图3 平盖开孔图
2.1.3 计算及评定条件
1）强度计算条件。强度计算压力为0.6MPa，计算温度90℃。计算包括二次应力强度的组合应力强度时，选用了设计载荷进行计算，分析结果更保守，更安全。
2）螺栓压紧力。根据GB/T 150.3-2011 中第7章，对平盖的配对法兰进行计算，以提取螺栓载荷。根据计算结果，预紧状态下的法兰设计力矩（80142416N·mm）比操作状态下的法兰设计力矩（48516128N·mm）大，所以，选取预紧状态下的螺栓载荷(W=2108980.5N)进行计算。由于计算模型为1/4模型，螺栓载荷为527245N。
3）筒体截面等效力。筒体和接管截面等效力根据下公式计算：
其中：
Pe——筒体或接管的端面等效力，MPa；
Pc——计算压力，MPa；
Die——筒体或接管内径，mm；
δe——筒体或接管有效厚度，mm。
根据上述公式，筒体截面等效力为5.8537MPa。
4）材料性能数据。材料的计算应力强度、弹性模量按GB150.2-2011 查取或通过插值计算求得。材料性能数据见表2。
2.2 结构分析
表2 材料性能数据表
2.2.1 几何及有限元模型
考虑内压及螺栓压紧力的作用，根据结构对称性，平盖和筒体取1/4 模型。
1）有限单元选择。分析采用ANSYS 软件中的20 节点三维实体单元(solid 186)。
2）有限元模型。平盖开孔有限元模型如图4 和图5 所示。
2.2.2 边界条件
图4 平盖开孔网格模型
图5 N5 筒体根部局部网格
平盖、筒体内壁施加计算压力，筒体外端面施加等效力。螺栓中心圆部位施加螺栓载荷，垫片接触面施加位移约束，对称面施加对称约束。
根据位移及载荷边界条件，建立力学模型，如图6 所示。
图6 平盖开孔边界条件
2.3 有限元分析结果
本计算选取5 条路径进行评定：A-A：平盖中心，贯穿厚度，B-B，贯穿筒体厚度，靠近平盖外缘。C-C：平盖垫片压紧力作用中心圆上，贯穿平盖，过做大应力点。D-D 筒体距离平盖中心最近的位置，贯穿筒体厚度。E-E:贯穿平盖厚度，在筒体与平盖相贯处。
应力线性化路径的选取原则是：通过构件应力奇异点外的应力强度最大节点、其他高应力强度区域及其他关注部位相应节点，沿壁厚方向设定应力线性化路径进行评定。线性化路径位置示意如图7 所示。分析结果及线性化结果如图8～13所示。
图7 线性化路径位置示意
图8 平盖开孔应力云图
图9 路径A-A 线性化结果
图10 路径B-B 线性化结果
图11 路径C-C 线性化结果
图12 路径D-D 线性化结果
图13 路径E-E 线性化结果
2.4 强度评定
强度评定方法依据JB4732—1995 进行。根据有限元分析结果强度评定表明：平盖开孔满足计算规定条件下强度要求。见表3。
表4.1 应力评定数据表
3 结论
LNG 作为一种燃料为船舶提供动力，越来越受到重视。双燃料船用发动机LNG 气化器在船用气化系统中的作用无可替代，发夹式换热器作为船用发动机LNG 气化器很少，本文主要从强度设计方面介绍了关键部件的计算，为以后船用LNG 气化器的选择和设计提供依据。
