极端管夹约束下FGSS冷箱管路的冷应力集中.pdf

中 国 修 船2024年4月维修理论极端管夹约束下FGSS冷箱管路的冷应力集中温小飞1，童林海1，2，李同兰3，汪家政4（1.浙江海洋大学 船舶与海运学院，浙江 舟山316022；2.浙江海骊达环保科技有限公司，浙江 舟山316052；3.舟山市卓林船舶设计有限公司，浙江 舟山316000；4.舟山长宏国际船舶修造有限公司，浙江 舟山316052）摘要：针对LNG动力船舶燃气供应系统（FGSS）冷箱的管路冷应力优化的不确定性问题，文章提出2个极端管夹约束条件的概念，并用于确定超低温管路的变形、应力2个参数极限值，构建明确的限值范围。同时，应用SolidWorks、ANSYS分别对FGSS冷箱管路进行了三维建模和有限元计算，考虑了管路和液体重力、温度载荷、压力载荷和不同的管夹约束等边界条件，进行了冷箱管路整体变形和应力分析。仿真结果表明：全部滑动管夹约束会导致部分冷箱管路形变过大，而全部固定管夹约束会导致部分冷箱管路冷应力过大。关键词：LNG动力船舶；管道应力；有限元分析；管夹中图分类号：U672文献标志码：Adoi：10.13352/j.issn.1001-8328.2024.02.011Abstract：Due to the uncertainty of pipeline cold stress optimization for the FGSS cold box of LNG-poweredships，this paper proposes the concept of two extreme pipe clamps constraint，which is used to determine the limit oftwo parameters，deformation and stress of ultra-low-temperature pipelines，and thus to obtain a clear range of limits.In addition，the paper applied SolidWorks and ANSYS to 3D modeling and finite element calculation of the FGSScold box pipeline respectively and carried out overall deformation and stress analysis of the cold box pipeline by considering the pipeline and liquid gravity，temperature load，pressure load and different pipe clamp constraints andother boundary conditions.The simulation results show that all the sliding pipe clamp constraints lead to excessivedeformation in the partial cold box pipeline，while all the fixed pipe clamp constraints lead to excessive cold stress inthe partial cold box pipeline.Key words：LNG-powered ship；pipe stress；finite element analysis；pipe clamp基金项目：浙江省科技计划项目省级重点研发项目（2021C03184）作者简介：温小飞（1977-），男，浙江丽水人，副教授，博士，主要从事新能源研究工作。近年来，解决船舶污染问题已成为国内外社会的共识。LNG动力船舶低温管路不像石油、化工等行业的陆地管路具有管路设计建造与应力分析规范1。低温管路一旦产生应力破坏可能造成部分设备或船体结构遇冷收缩和脆性断裂，从而造成不可逆转的低温损坏2；因此，优化管路布置，提高管路系统安全，保证以LNG为燃料动力船舶的安全运营是非常有必要的。任帅3等人对某隧道输气管道进行了应力分析，探索了管道最大应力与半径以及弯管形状的关系。李家栋4-5对一次应力余量处理进行了详细介绍，并对管路系统进行了优化。Ashrafizadeh6发现管道存在疲劳断裂的趋势，一阶振型、位移和应力最大值的位置是一样的。Stevenson7对某管道进行了应力分析，为管路爆炸原因分析提供了指导。廖建明8等对某船用LNG储罐低温管路进行了40第37卷第2期维修理论仿真分析，为管路设计提供了可靠的理论依据。丁昌9等人提出在某直管段增加2个型弯头，增加管道柔性，降低了管路应力。王长振10等人发现应力最大点通常出现在管路三通、弯头以及固支处。Perumal Pillai R11等人描述了低温环境对流体管道动态行为的影响。席蓉12等提出在管路中增加膨胀节，以补偿管路变形，降低了局部区域热应力。综上所述，国内外学者在管道应力分析方面都取得了一定的成果，但其管路基本上都是在陆地上，LNG低温管路研究并没有像其它管路那样成熟，LNG低温管路的变形及应力集中问题需要做更深入研究。本文将以某LNG船FGSS冷箱管路为研究对象，基于ANSYS有限元分析软件，对冷箱管路系统施加2种不同的极端管夹约束，其余边界条件相同，对管路进行形变和冷应力分析，探索极端管夹约束对LNG船FGSS冷箱管路冷应力的影响。1基础理论管路的基本应力类型包括轴向应力、周向应力、径向应力和剪切应力4种。1）轴向应力。轴向应力是在温度和压力膨胀共同作用下平行于管道轴线方向的正应力，是轴力内压和弯曲等多重作用下的集中体现。SL=FAX/Am+PDi2/（Do2-Di2）+Mb/Z，（1）式中，SL为管路轴向正应力，MPa；FAX为管截面上的轴向力，N；Am为管截面的横截面积，mm2；P 为管道内部压力，MPa；Di为管路内径，mm；Do为管路外径，mm；Mb为作用在管道截面上的弯矩，Nmm；Z为管路的抗弯截面系数。Am=（Do2-Di2）/4。（2）由材料力学薄壁理论可知，薄壁管道轴向正应力L近似值为：L=PD/4So，（3）式中，D为管道直径的平均值，mm；So为管道横截面积，mm2。D=（Do+Di）/2。（4）2）周向应力。应力为垂直于管道轴向的正应力，管道内压产生该种应力，其方向平行于管壁圆周的切线。3）径向应力。力为作用在管道壁上的正应力，管道内压产生此种应力，它的方向平行于管道半径方向。其范围为管道内压与管外大气压之间。假如不考虑外压，计算公式为：Sr=P（Ri2-Ri2Ro2/R2）/（Ro2-Ri2），（5）式中，Sr为压力引起的径向应力，MPa；Ri为管道内壁半径，mm；Ro为管道外壁半径，mm；R为管道轴线到所在点的距离，mm。如果不考虑管道的外压，径向应力是零，弯曲产生的结构应力最大。4）剪切应力。剪切应力的方向平行于材料晶体结构平面，主要由剪力和扭转的作用形成。截面剪切应力产生的管路最大剪切应力：max=FVQ/Am，（6）式中，max为管路最大剪切应力，MPa；FV为作用在管路上的剪切应力，N；Q为无量纲剪切系数，固体圆截面取1.333。管道中性轴处的剪切应力最大，由于管道剪切应力很小，常被忽略不计。扭转作用产生的管路最大剪切应力为：max=MTC/Wn，（7）式中，MT为管截面上的转矩，Nmm；C为管截面上分析点到扭转中心的距离，mm；Wn为管道抗扭截面系数。在外管壁上的计算点，C的数值与扭转应力最大，管路最大剪切应力为：max=MTC/Wn=MT/2Z。（8）2应力校核标准2.1一次应力一次应力是由重力、压力和其他外力产生的应力。其主要作用是为了平衡外力载荷产生的应力。一次应力的特征是无自限性，当管道内塑性区域表现为极限状态时，无论外力载荷是否增加，管路都将发生不可逆转的塑性流动直至破坏。一次应力校核准则为：由持续载荷导致产生的应力之和不能超过材料在设计温度下的许用应力。一次应力校核公式为：1(|Sa|+Sb)2+(2St)2h，（9）式中，1为重力等持久载荷产生的应力，MPa；Sa为由持久纵向力产生的应力，MPa；Sb为由持久弯矩合成的应力，MPa；St为持久转矩产生的应力，MPa；h为所用材料在设计温度下的许用应力，MPa。Sa=IaFa/Ap，（10）温小飞，等：极端管夹约束下FGSS冷箱管路的冷应力集中41中 国 修 船2024年4月维修理论式中，Ia为持久纵向力指数，一般情况下取1.0；Ap为管路管壁横截面积，mm2；Fa为重力等持久载荷产生的纵向力，N。Sb=(iiMi)2+(ioMo)2/Z，（11）式中，ii为平面内应力增强系数；Mi为压力等持久载荷产生的平面内弯矩，N/mm；io为平面外应力增强系数；Mo为由压力等持久载荷产生的平面外弯矩，N/mm。St=ItMt/2Z，（12）式中，It为持久转矩指数，一般情况下取1.0；Mt为重力等持久载荷引起的转矩，N/mm。2.2二次应力二次应力是由热胀、冷缩、端点附加位移等位移荷载所产生的应力。管道在位移载荷的作用下会产生附加位移，在约束作用下从而产生应力。具有自限性是二次应力的显著特征，当位移约束或自身连续变形得到满足的局部屈服或小量变形出现时，变形和应力不再增加。但是反复变形产生的二次应力会造成疲劳破坏。如果位移载荷极大，管道的疲劳破坏有发生在一次加载的过程中的可能性。二次应力校核的准则为：由位移和温度引起的位移应力之和不能超过材料在设计温度下的许用应力。二次应力校核公式为：2，（13）式中，2为温度和位移引起的位移应力，MPa；c为在环境温度下材料的许用应力，MPa；f为应力减小系数，一般取1。3管路建模3.1几何模型本文以某LNG船燃气供应系统（FGSS）冷箱管路为研究对象，此管路系统由直管道及各类附件如弯头和三通等组成，设计压力为1.1 MPa，设计温度范围为-196+50，环境温度为20，工作温度为-163，冷箱管路参数如表1所示。根据该型船设计图纸，建立管路在总体直角坐标系下的几何模型，使用SolidWorks进行建模，再通过ANSYS前处理工具Design Modeler进行几何处理，并把实体模型转换为壳模型。该LNG船冷箱管路几何模型如图1所示。3.2极端管夹约束由于管道在化工、建筑、船舶等各个领域中的广泛应用，与之配套的支架种类繁多，标准不一。在各种资料中根据不同的角度，管夹的分类形式也是多种多样。按用途分类管路管夹分为固定支架和活动支架。本文极端管夹分2种设置，一种是在冷箱管路中所有管夹布置位置使用固定支架即采取全约束设置，管路系统中n个管夹所在位置的自由度为0。另一种是在冷箱管路中所有管夹布置位置使用导向支架即导向性约束，管路系统中n个管夹所在位置的自由度为1，允许管路沿轴向自由移动。3.3载荷计算载荷的施加将考虑重力、温度、压力载荷的影响。1）重力载荷。重力载荷是指管道以及介质等所有自重产生的荷载，主要产生弯曲应力或轴向应力，能够产生类似于梁的变形和失稳破坏，施加全局重力加速度。管路中忽略的阀门和法兰用点质量来考虑其重力的作用。参数工作温度T1/管道材料管路设计压力P1/MPa强度试验压力P2/MPa弹性模量E/MPa泊松比热量膨胀系数/（1/）一次许用应力 1/MPa二次许用应力 2/MPa数值-163S304081.11.651.9310-50.31.7210-5138345f(1.25c+0.25h)h1f(1.25c+1.25h-1)h 1表1冷箱管路参数图1冷箱管路几何模型封头气相管路系统气相管路系统液相管路系统筒体42第37卷第2期维修理论2）温度载荷。管道在温度变化时发生热胀冷缩，由于约束作用管道不能够自由变形，从而产生热应力，管路全局设定为恒温，其最低工作温度为-163。在 ANSYS Mechanical 中采用全局温度载荷施加在所有的节点上。3）压力载荷。管道压力载荷是由管内工作压力产生的。是产生径向应力和环向应力的主要因素，可产生使管径增大或缩小的环向变形。还能对弯头造成弯曲应力。管路设计压力 P1为 1.1 MPa，强度试验压力为P2为1.65 MPa，ANSYS Mechanical中采用均布压力载荷施加在管的内壁面上。4计算结果与分析4.1整体变形冷箱管路位移变形分布如图2所示，图2（a）为全部固定管夹的位移变形分布，最大变形处在液相管和罐体外封头接触位置，最大变形位移约为1.1 mm。图2（b）为全部滑动管夹的位移变形分布，气相管路系统普遍变形较大，其弯头处变形位移最大，并分别标注了A、B、C、D 4处，并按比例110放大。为了更加直观地分析2种极端约束冷箱管路的变形，提取出 2 种管路分析中节点对应的位移值，并绘制了节点与变形量关系的曲线图，冷箱管路极端管夹约束形变数据对比如图3所示。从图3可知，当冷箱内管路管夹全部固定时，整体冷箱管路位移量偏小。而当冷箱内管路管夹全部滑动时，部分节点（A、B、C、D）的位移量会变得很大，变形分布图的对应位置如图 2（b）所示。A、B、C、D皆在气相管路弯头处，B处为最大变形所在位置，位移量达到25 mm以上。4.2应力与强度冷箱管路等效应力分布如图4所示，图4（a）为全部固定管夹的等效应力分布图，液相管与封头交接处应力普遍较大，选择其中较大点分别标注A、B、C、D、E并按比例110放大，B为最大应变所在位置，应力值为6 162.7 MPa。图4（b）为全部滑动管夹的等效应力分布图，最大应变处位于气相管路一弯头处，最大应力值约为475.7 MPa。为了更加直观地分析2种极端约束冷箱管路的整体应力，提取出2种管路分析中节点对应的等效应力值，并绘制了节点与应力关系的曲线图，冷箱管路极端管夹约束等效应力数据对比如图5所示。（a）全部固定图2冷箱管路位移变形分布1.122 100.997 400.872 730.748 050.623 380.498 700.374 030.249 350.124 68Y0（b）全部滑动YXZC（110）D（110）B（110）A（110）BDAC2.842 825.585 022.742 05.685 611.371 017.057 08.528 314.214 019.899 00Z115X最大变形处图3冷箱管路极端管夹约束形变数据对比30252015105位移量/mm0网格节点240 00030 00060 00090 000120 000150 000180 000210 000BADC全部滑动全部固定温小飞，等：极端管夹约束下FGSS冷箱管路的冷应力集中43中 国 修 船2024年4月维修理论图5冷箱管路极端管夹约束等效应力数据对比图7.06.56.05.55.04.54.03.53.02.52.01.51.00.5等效应力/103MPa0网格节点240 00030 00060 00090 000120 000150 000180 000210 000BADC全部滑动全部固定E当冷箱内管路管夹全部滑动时，整体冷箱管路等效应力偏小，最大应变处位于气相管路中一弯头处，如图4（b）所示。当冷箱内管路管夹全部固定时，部分节点即A、B、C、D、E的冷应力会变得异常大，最大应力达到了6 162.7 MPa，其在全部固定等效应力分布图的对应位置如图4（a）所示。其中B处为最大应力所在位置，是液相管和罐体外封头连接位置，应力值为6 162.7 MPa，经过细化网格后发现，B处的应力值越来越大，并逐渐趋于无穷，所以 B 处不是应力集中导致应力过大，而是应力奇异点，此点可直接忽略。C、E 2处为管路约束所在位置，应力值分别为3 479.6 MPa 和1 819.2 MPa，分别达到了衡准 值 的 1 009%和527%。A点的2个峰值都在管路三通位置，应力值分别为2 814.1 MPa和2 008.4 MPa，分别达到了衡准值的816%和582%。D点在如图4（a）管路弯头位置，应力值为2 059.7 MPa，达到了衡准值的597%。严重超出许用应力范畴。5结束语对于冷箱管路系统，全部滑动管夹会使得管路冷应力值相对较小，但会导致位移形变量过大。全部固定管夹会使管路位移形变量较小，但会导致管路冷应力集中。由此可见，在进行冷箱管路应力分析时单一的采用全部固定或全部滑动约束条件是不适合的，搭配合适的管夹约束条件才有可能使得冷箱管路系统应力最小。参考文献1 纪志远，李蕾.FPSO上部模块管道应力分析工况研究J.辽宁化工，2021，50(2)：238-240.2 Coulon A，Salanon R，Ancian L.Innovative numerical fatigue methodology for piping systems:qualifyingAcousticInducedVibrationintheOil&Gas industryJ.Procedia Engineering，2018（213）：762-775.3 任帅，马贵阳，王海燕.基于ANSYS的隧道内输气管道应力分析J.当代化工，2015，44(11)：2652-2654.4 李家栋.关于一次应力的余量加到二次应力计算中的讨论J.化工设备与管道，2017，54(2)：83-86.5 李家栋，徐锦煌.应力分析在管道设计过程中的优化及指导J.天然气化工(C1 化学与化工)，2019，44(6)：112-118.（a）全部固定YXZC（110）D（110）B（110）A（110）BDAC6 162.75 4782 7393 423.74 108.54 793.2E（110）E2 054.21 369.52.928684.75（b）全部滑动475.6752.881422.82369.97317.12264.27211.43158.58105.730.032 045115最大应变处YXZ图4冷箱管路等效应力分布（下转第49页）44第37卷第2期海洋平台分析结果显示，起重机吊索在对应工况下，侧向最大摆角为1.92，横向最大摆角为1.63，均满足起重机的设计技术要求。3.4安全距离分析时域分析结果显示，吊索摇摆角度侧向最大1.92，横向最大1.63。本文分析安全距离不考虑起重目标平台吊起后自身运动，仅考虑与船体的相对运动，起重目标平台外缘与起重船船体和起重机之间的安全距离，取决于吊索的侧向摆角，可取侧向摆角2计算。通过二维图形软件绘制起重目标平台及船体、起重机的外轮廓，设定吊索侧向摆角为2，可以获得平台和船体吊臂最外缘的距离，吊索侧倾状态下目标平台的安全距离见图 7。目标平台起吊后，外缘与船体的最小距离为9.1 m，与起重机吊臂结构附件的最小距离为7.6 m，本文选取的起重机在上述工况下作业，满足海上起重机作业安全距离要求。4结束语基于设定的作业环境条件，分析结果表明，本文中的多功能起重船拆解5 000 t目标平台，起重机吊索倾角满足起重机设计要求，起升作业时起重机的动态载荷在设计能力范围内，满足DNV海上作业和海事保险规范技术要求。被起吊的目标平台，距离船体结构和起重机吊臂的距离也满足起重作业的安全距离要求。说明该环境条件下，起重船可安全起吊5 000 t目标海上平台，实施拆解作业。参考文献1 陈亮，张城，张小雅.大型起重船波浪中的运动响应J.上海船舶运输科学研究所学报，2011，34(2)：99-102，145.2 汪娟娟，黄衍顺，李怀亮，等.吊重作业起重船波浪中的运动响应J.中国舰船研究，2013(3)：52-59.3 张明霞，夏益美，林焰，等.全回转起重船作业过程稳性仿真J.船海工程，2007，36(4)：137-141.收稿日期：2023-06-14图7吊索侧倾状态下目标平台的安全距离29.1 m7.6 m140 m张国华，等：风浪流载荷下大型海上平台拆解装备起重作业数值模拟（上接第44页）6 Ashrafizadeh H，Karimi M，Ashrafizadeh F.Failure analysis of a high pressure natural gas pipeundersplitteebycomputersimulationsandmetallurgical assessmentJ.Engineering FailureAnalysis，2013，32(32)：188-201.7 Stevenson E M，Iwand C H，McDougall J，et al.Fai-lure Analysis of an Aluminum Chiller Pipe by Experimental Simulation and Stress Analysis.J.Journal of Failure Analysis&Prevention，2017，17(5)：1090-1098.8 廖建明，杨先鲁.船用LNG储罐夹层低温管路的应力分析J.辽宁化工，2016，45(5)：573-577.9 丁昌，付延唐，赵之贞，等.低温储罐夹层管路的应力分析与优化设计J.低温与超导，2016，44(8)：27-32.10王长振,徐岸南,王德禹.形弯补偿器在LNG船低温管路中的应用分析J.船舶工程，2011，33(4)：40-43.11Perumal Pillai R，Murugha Dhas K.Influence of lowtemperature and flow properties in dynamic behaviour of cryogenic pipelinesJ.Indian Journal ofCryogenics，2021(1)：1-6.12席蓉，陈叔平，余铁浩，等.大型低温球罐夹层液相管路柔性优化分析J.低温与超导，2022，50(10)：70-75.收稿日期：2023-08-2349