双燃料船舶TCS低温管路应力分析

2024-01-10戴冰曹凯刘城君张文涛

山东化工 2023年22期

戴冰,曹凯,刘城君,张文涛

(青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司,山东青岛 266101)

双燃料船舶的储罐连接空间(Tank-Connection-Spce,简称TCS)是船舶燃料供气系统的重要组成部分(图1)。

图1 双燃料船舶储罐连接空间

同时也是整个燃料供气系统连接储罐与发动机的中间部分,主要作用是对LNG燃料进行处理,使其成为具有满足发动机使用要求的温度压力的气体燃料,从而供给主机燃烧。TCS中设备较多,且整个区域为围蔽空间,一旦管路发生泄漏,LNG在空间内聚集气化,与空气进行混合,极易引发爆炸事故,所以针对TCS内部的低温管路应力分析校核就显得尤为重要。

1 模型建立

以内河双燃料运输船为例,对其船用储罐的TCS低温管路进行相关应力分析。根据储罐TCS管路的单线图,对需要进行应力分析的低温管路进行区分(根据中国船级社低温管路应力分析指南要求[1],当设计温度为-110 ℃或更低时,需要对管路进行完整的应力分析),对管路的材质,介质密度,管径,壁厚,设计压力,设计温度,管路保温厚度及密度在CEASARII软件中进行输入,管路的设计参数如表1～2所示。

表1 管路设计参数

表2 绝缘材质及厚度

根据管路功能进行划分,将TCS管路在软件中进行管线编号,方便后期对管路的显示与选取。将管路类型划分为6种,分别为液相加注管路,气相回气管路,自增压液相管路,供液液相管路,透气管路与常温套管。

除了管路基本模型的建立以及管路设计参数的输入,还需要在软件中对管路模型添加偶然载荷,包括船体加速度载荷,安全阀排放反力载荷,如表3～4所示。

表3 加速度载荷

表4 安全阀排放反力载荷

最后还需要对管路模型添加边界条件,针对 TCS内部管路,边界条件主要包括管路支架以及管路的固定约束(包括管路与储罐的固定约束,管路穿舱固定约束,管路与设备连接的固定约束)。在TCS管路中,应用最多的管路支架形式是刚性支架,包括承重支架,导向支架,固定支架,在CEASARII软件模拟中,需要对特定的节点添加不同方向的约束,并输入支架间隙值以及摩擦系数,从而完成支架模拟,如图2所示。

图2 支架输入

根据TCS管路单线图,结合管路的设计参数以及支架设计参数,在CEASARII软件中进行输入,最终得到整个TCS内部的管路模型,如图3所示。

图3 管路应力分析模型

2 工况划分

在进行TCS管路计算前,需要对TCS管路的工作工况进行编辑。在不同工况下,对TCS管路进行应力校核以及支架校核,保证管路的安全性。所以在分析计算之前能否对工况进行合理的划分,是决定管路应力分析结果是否正确的前提。工况的划分,核心在于能否对管路载荷正确地组合,所以在工况划分之前,需要确保管路添加的载荷种类与数量的正确性,针对船舶TCS低温管路,管路载荷包括管路最高设计温度、最低设计温度、工作温度、设计压力、压力试验压力、管路重量、船舶加速度载荷、安全阀支反力载荷。

管路的计算工况根据应力校核与管路支架校核的需要,可以划分为四类,分别为操作态(OPE)、安装态(SUS)、膨胀态(EXP)、偶然态(OCC),其中操作态工况可以在应力结果校核时查看管路热位移以及支架的支反力,安装态、膨胀态、偶然态工况在操作态工况的基础上进行分解与组合。安装态、膨胀态以及偶然态工况主要作要是校核管路的一次应力、二次应力、偶然应力是否满足规范要求。其中,一次应力是非自限性应力,由持久载荷的作用而产生,应力随着载荷的增加而增加,直到结构破坏为止,而二次应力是自限性应力,由位移载荷的作用而产生,管路发生塑性变形后应力不会一直增加。

针对TCS低温管路,因为温度载荷的作用,管路会产生热胀冷缩变形,对管路柔性(管路吸收位移变形的能力)提出了很高的要求,所以由位移载荷引起的二次应力是整个管路应力校核中需要重点关注的地方。根据TCS管路载荷开展组合的工作工况列表如表5所示(CASE1为TCS管路的水压试验工况,CASE37为TCS管路的空载工况)。

表5 工况列表

表5(续)

3 应力分析结果校核

通过软件后处理模块,对管路的一次应力、二次应力、偶然应力的计算结果进行整理,将各个工况下各节点的应力最大值进行筛选,如表6所示。

表6 管路应力值列表

表6(续)

根据ASME B31.3工艺管路规范[2],对管路应力进行分类校核,校核公式如下所示:水压试验应力(HYD):SL

一次应力(SUS):SL

偶然应力(OCC):SLocc

二次应力(EXP):SE

SL—一次应力;

Re—规定的室温下材料最低屈服强度;

Rm—规定的室温下材料最低抗拉强度;

Sh—一次应力许用应力(取Rm/2.7或者Re/1.8的计算值的较小者);

SLocc—偶然应力;

SE—二次应力;

SA—二次应力许用应力。

通过以上公式进行验证,可以得到下述结论:

管路一次应力最大值出现在L29工况,应力占比为74%;

管路二次应力最大值出现在L42/L44工况,应力占比为86.4%;

管路偶然应力最大值出现在L72工况,应力占比为62.4%。

各类应力的最大值均在规范要求的许用范围之内,从而证明管道结构在现有工况下是安全可靠的。

由图4可知,二次应力、偶然应力的最大值均出现在储罐安全阀管路,因为这部分管路的管径相对较粗,管路在两个固定点之间的长度较短,在温度载荷的作用下吸收位移变形的能力较差,故二次应力相对于其他区域来说较高,同时,因为安全阀排放反力对管路的作用,偶然应力相对于其他区域来说也相对较高。

图4 应力区域展示

4 支架校核

除了对管路本身的应力值进行校核,保证管道自身结构安全之外,还应关注管路支架的安全。针对管路支架的校核,需要保证管路对支架的支反力低于规范要求的许用值。管路支架支反力需要在安装态以及操作态这两类工况下进行查看,并且需要关注管道在支架处的热变形位移值,如果超过支架规范要求的位移值,则可能造成管道在支架处的滑落。除了关注管路应力校核以及支架校核外,还应关注管路在安装态下垂直于轴线方向的线位移,即管路的挠度是否满足要求。对于TCS管路,一般要求挠度值在3 mm之内。若挠度值超出许用范围,则说明管道在该处缺少支架,需要增加支架数量。最后,尽量设置合适的固定支架,控制管路的整体热位移,一般将管道整体的热位移值控制在50 mm以内。