一种用于LNG软管输送系统紧急脱离装置;的有限元分析

蒙学昊,张海涛,夏华波,韦晓强,周毅

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司,天津 300452)

随着LNG动力船、双动力船、LNG加注船、FLNG、FSRU等海上终端平台的不断增长,LNG软管输送系统[1]的需求也随之增长。紧急脱离装置(ERS)[2]是LNG软管输送系统的一个重要安全部件,其固定端通过螺栓固定于加注终端管汇法兰或变径等接头上,脱离端与低温输送软管相连,见图1。紧急脱离装置在连接输送状态下承受了内部LNG流体的压力,外部软管等部件的拉力,以及风载、冰载等多种自然载荷作用,是输送系统中承受载荷比较复杂的装置,需要对其进行整体应力分析,通过数据校核紧急脱离装置是否能满足结构安全要求。

图1 紧急脱离装置布局

1 紧急脱离装置机构

1.1 抱箍机构载荷计算

在整个紧急脱离装置中,抱箍机构是用来夹紧紧急脱离阀的固定端和脱离端,夹紧作用通过抱箍的夹紧锥面,配合螺杆和螺母的锁紧以及顶块来实现。由于抱箍对紧急脱离阀轴向和径向都存在约束作用,根据力的传递作用可知,抱箍机构同样承载着双阀内部LNG流体压力产生的轴向和径向载荷,软管及输送LNG流体载荷,冰载荷,风载荷等多种载荷,是紧急脱离装置中受力较大、应力比较集中的零件,需要对抱箍机构各部件进行应力应变分析[3-5],以验证抱箍机构是否满足结构安全要求。见图2。

图2 设计压力下抱箍机构受力分析

通过受力分析,抱箍机构同样承受装置的载荷,同时,由于抱箍夹紧锥面以60°的夹角夹紧紧急脱离阀,见图3。因此,根据力的传递可得,抱箍还承受内外部载荷的径向分力。

图3 抱箍径向受力分析

不同工况下,在设计压力情况下,根据抱箍夹紧锥面角度和实际夹紧效果可知,径向分力F1=F轴/tan60°

不同工况下,在测试压力情况下,根据抱箍夹紧锥面角度和实际夹紧效果可知,径向分力F2=F轴/tan60°

因此,根据图2,抱箍安装到位后,通过锁紧螺母锁紧固定,锁紧螺柱最小直径处为20 mm。各个工况下,在设计压力下,锁紧螺柱端和连接顶块端受力F′=F1/2;在测试压力下,锁紧螺柱端和连接顶块端受力F″=F2/2。

1.2 液压缸选型计算

紧急脱离装置液压驱动机构的主体为液压缸,可提供动力驱使紧急脱离装置阀门关闭和开启,液压杆完全伸出时驱动阀门打开,液压杆完全缩回时驱动阀门关闭。同时,阀门关闭后,液压缸持续作用拉断螺钉,直至破坏拉断螺钉,打开抱箍,完成脱离。因此液压缸需要驱动阀门的开启关闭,破坏拉断螺钉以及推动抱箍打开。

选择液压缸缸径63 mm,杆径35 mm,工作压力为16～21 MPa的液压油缸。选型参数见表1。

表1 液压油缸参数

1.3 驱动拉断螺钉

拉断螺钉采用M8×25螺钉改制,中间最小截面的直径为3 mm,根据《机械设计手册》,拉断力为

F=σb·S

式中:F为拉断力,N;σb为材料极限强度,MPa,σb=[σ]×n,[σ]为材料许用应力,n为安全系数,取1.2～1.7;S为螺钉最小截面积,S=πd2/4,d为最小直径,得S=7 mm2。

因此可得拉断力为F=8 330 N,小于液压缸的拉力,即液压缸拉力可保证拉断螺钉破坏。

如图4所示,在测试压力下,连接顶块端受水平力F″=F2/2,其中F2=F轴/tan60°,在测试压力下,经计算,F轴=FL+DL+PLT=92 961.2 N,因此连接顶块端受水平力F″=26 835 N。

图4 抱箍打开受力分析

分析可得,F拉1=F″×tan30°=15 493 N,小于液压缸拉力,即液压缸拉力可保证抱箍打开。

2 工况分析

针对紧急脱离装置所受的各种载荷情况,设计其在不同状态下的载荷组合,整理载荷工况表见表2。允许设计应力为基本允许设计应力×给定K系数。

表2 载荷工况

表中:

DL为恒定载荷;EL为地震载荷;FL为流体载荷;PL=设计压力载荷;PLT=测试压力载荷;TL=热载荷;WLS=存放状态风载;WLO=工作状态风载;WLM=维护状态风载。

根据技术要求,软管总长度为25 m,紧急脱离装置载荷设计计算过程中考虑一半的软管长度(紧急脱离装置和快速连接装置各承担一半),即为12.5 m,其中软管外径的d2=355 mm,内径d3=200 mm,质量20 kg/m。紧急脱离装置承载部件考虑25 mm的冰堆积厚度。同时,根据工作区域实际海况条件,工作风载考虑22 m/s,极端风载考虑70 m/s。

在载荷方面,工况10压力测试状态下的载荷组合最复杂,载荷力最大,在剩余9种工况下属于最危险工况。同时,根据表2载荷工况表,在容许应力方面,工况5连接状态下的容许应力系数最低,容许应力最低,属于最危险工况。因此有限元模拟分析时取工况5和工况10进行分析,来计算紧急脱离装置在这两种工况下的结构强度。

3 传热温度场有限元分析

对紧急脱离装置在内部通有低温LNG时的状态进行传热分析,以确定装置各个部位的温度场分布情况,为后续不同温度下的结构件强度计算提供基础。

3.1 模型建立

以紧急脱离装置模型为基础,已知装置内部通有低温LNG流体,设置模型内部表面的温度为-165 ℃,求解此时装置整体的温度场分布。

简化紧急脱离阀阀体部分,以圆柱型式代替,保留双阀夹紧部分。抱箍机构去除对强度无影响的工艺倒角及细节特征,保留锁紧部分和连接顶块,并将锁紧螺母和螺柱一体化,去除螺柱及螺母的螺纹部分,以最小截面积的直径作为螺柱模型的外圆。简化模型在ABAQUS软件中见图5。

紧急脱离装置采用316不锈钢材料,模型中设置材料密度,弹性模量,泊松比等基本材料参数,同时设置热传导系数,比热容,对流换热系数以及热辐射系数等材料传热参数。为简化计算,在传热分析中将分析模型各部件之间连接部分设为绑定约束,同时设置模型表面的对流换热系数与热辐射系数,给定模型热传递的环境温度。

图6 传热模型相互作用(换热表面)

对分析模型进行网格划分,传热分析中设置单元类型为DC3D10十结点二次传热四面体单元。传热分析中预定义模型温度场,并且设置模型的温度边界条件。

3.2 结果显示及分析

紧急脱离装置模型的温度场分布见图7。

图7 紧急脱离装置整体温度场分布云图

从紧急脱离装置整体的温度场分布图7可知,模型最高温度-14.75 ℃,出现在远离LNG流体的抱箍安装端圆柱轴及连接顶块上。装置各部件温度值可以从温度值表中读取,由于抱箍尺寸较大,温度值跨度较大,中间夹紧球阀的部位温度值较低,约为-96.86 ℃,两端温度值较高,约为-15.10 ℃。螺杆部分温度值约为-15.10 ℃。

4 强度有限元分析计算

对紧急脱离装置整体应力应变进行分析,尤其对涉及低温下不同温度场分布的工况10进行分析计算。通过数据验证紧急脱离装置各部分是否能满足结构安全要求。分别按工况5和工况10对模型施加各个载荷,然后计算紧急脱离装置在工况5和工况10下的结构应力。

在相互作用设置模块,为简化计算,将分析模型接触方式设置通用接触,并且将螺杆与抱箍,抱箍与顶块的接触连接部分设定为绑定约束。对紧急脱离阀的脱离端端面施加中心点的耦合约束,方便后续对其施加载荷作用,见图8。

图8 工况10模型绑定与耦合约束

对分析模型进行网格划分,设置单元网格尺寸为5 mm,单元类型为C3D8R八结点线性六面体单元减缩积分单元。

4.1 施加边界条件与载荷

1)根据紧急脱离装置实际布局情况,紧急脱离装置固定端,抱箍锁紧端两侧以及连接顶块中间孔均设置为固定约束。

2)在紧急脱离装置模型上分别施加工况5和工况10的各个载荷,见图9,进行受力分析。

图9 模型边界条件及载荷

4.2 结果显示

工况5下紧急脱离装置整体以及抱箍机构对应的应力、位移云图分别见图10～12。

图10 工况5紧急脱离装置整体应力云图

工况10下紧急脱离装置整体以及抱箍机构对应的应力、位移云图分别见图13～15。

4.3 结果校核分析

根据EN 10028-7:2016标准规范中表E.1中316L材料在低温下的屈服强度数值发现,不锈钢316L温度越低,材料的屈服强度越高。同时根据ISO 16904规范中5.3.2.2条要求,承压结构件和非承压结构件的基本允许设计应力应取两者中的较低者。

屈服强度/1.5;

奥氏体钢的极限抗拉强度/3。

基本允许设计应力Sd的计算见表3。

表3 基本允许设计应力Sd MPa

根据GB 150.2-2011标准规范中表11承压部件锻件钢的许用应力值,同时根据4.4.2条规定,设计温度低于20 ℃时,取20 ℃时的许用应力,查表可得此时许用应力值为137 MPa,即此时的基本允许设计应力Sd为137 MPa。

分别对工况5和工况10按照上述应力值进行校核,按照表1载荷工况表,工况5的容许应力为0.8Sd=109.6 MPa,工况10的容许应力为1.3Sd=178.1 MPa。

对于工况5,从图10可知,紧急脱离装置最大应力出现在抱箍安装端圆柱轴根部,最大应力为93.94 MPa。从图11可知,抱箍最大应力发生在安装端圆柱轴根部,最大应力为41.46 MPa。从图12可知,连接顶块最大应力发生在与安装端圆柱轴接触的弧面部位,最大应力为93.94 MPa。三种情况均低于低于工况5要求的容许应力109.6 MPa,因此连接顶块部件符合结构强度设计要求。

图11 工况5抱箍应力云图

图12 工况5连接顶块应力云图

对于工况10,从图13可知,紧急脱离装置最大应力出现在抱箍安装端圆柱轴根部,最大应力为166.3 MPa。

从图14可知,抱箍最大应力发生在安装端圆柱轴根部,最大应力为65.35 MPa。从图15可知,连接顶块最大应力发生在与安装端圆柱轴接触的弧面部位,最大应力为146.5 MPa。三种情况均低于工况10要求的容许应力178.1 MPa,因此连接顶块部件符合结构强度设计要求。

图13 工况10紧急脱离装置整体应力云图

图14 工况10抱箍应力云图

图15 工况10连接顶块应力、位移云图

5 结论

在载荷方面,工况10压力测试状态下的载荷组合最复杂,载荷力最大,在剩余9种工况下属于最危险。在10种工况中,通过线性叠加比较可得,工况10载荷力最大,属于最危险工况。工况5连接状态下的容许应力系数最低,容许应力最低。因此有限元模拟分析时取工况5、和工况10进行分析,来计算手动快速连接器在这两种工况下的结构强度。

在工况5和工况10中,整个装置最大应力均出现在抱箍安装端圆柱轴根部,抱箍最大应力发生在安装端圆柱轴根部,连接顶块最大应力发生在与安装端圆柱轴接触的弧面部位。后续应考虑加强这3个部件的加强。