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木质层积塑料在LNG液罐上的应用与分析

2024-08-31 114 上传者：管理员

摘要：本文以常用LNG独立C型液罐木质层积塑料(俗称层压木块)为例，介绍了层压木块的性能和产品设计参数，以及如何进行低温环境下的产品设计、如何利用有限元软件进行相关计算分析，为层压木块的产品设计与应用提供了参考和依据。

关键词：
产品设计
天然气管道
层压木块
有限元分析
木质层积塑料
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由于海底天然气管道不仅受海洋环境和海床变化影响，还可能受到各种人类水上水下活动的损害，且失效后难于抢修、恢复时间长、社会影响大，所以天然气的运输不得不更依赖于船舶运输。根据船舶运输天然气承载罐体形式不同，可以分为A型、B型和独立C型。其中A型和B型液罐舱和船体都有不同程度的结构连接，而独立C型液罐是完全独立的液货舱，可以视为船用压力容器，其罐体结构和船体结构之间没有任何结构连接，并且设计和运行维护成本较A型和B型低。目前最大C型液罐运输船能达到近十万立方。天然气的一个大气压下的沸点为-163℃，船舶运行环境大舱环境温度一般都在室温20℃左右，层压木块上端连接着液罐壳体，下端连接船体鞍座面板，层压木块将来自液罐内部的液体压力和温度载荷传递给船体鞍座，因此层压木块的位置作用十分关键，加大层压木块的应用分析显得很有必要[1-3]。

1、独立C型液罐的简介

常见独立C型液罐根据压力形式可以为全压式和半冷半压式。作为燃料罐一般采用全压式，作为运输罐一般采用半冷半压式；全压式设计压力≥18 bar、半冷半压式设计压力4～6 Bar；一般C型运输液罐要保证船舶一个航程至少15天，日蒸发率BOR发小于0.2%，通常在液罐外包裹350 mm厚的聚氨酯保温层；常见液罐包括：筒体、艏封头、艉封头、正空环，固定端加强环，滑动端加强环，固定端层压木块、滑动端层压木块等。封头一般有椭圆型、蝶型和球型，球型封头较其它2种受力更好，一般比较常见[4-6]。

2、层压木块分层设计介绍

为了保证LNG独立C型液罐天然气的装载和船舶的运输，在液罐固定端加强环筒体板下面设置鳍板，鳍板和固定端层压木通过JM98胶水粘连，固定端层压木块和船体鞍座面板也是通过JM-98胶水相连，液罐从常温20℃加载-163℃的LNG必然为沿着液罐长度方收缩，故而在滑动端加强环筒体板下方设置挡板，两个挡板内用JM-98胶水连接滑动端层压木块上，滑动端层压木块下与船体鞍座面板之间也是通过JM-98胶水粘连，为了保证滑动端上下层压木块之间的自由滑动，层压木块上下之间设置润滑良好的不锈钢片。整个层压木块的分层设计原理：固定端鳍板和筒体焊接为一体，鳍板镶嵌在固定端层压木块槽内，固定端木块通过JM-98胶水粘连在鞍座面板槽内(罐长方向的自由度被约束)；滑动端挡板卡主滑动端层压木块上，滑动端上下层压木块之间有不锈钢片，可以保证液罐加载的过程中，液罐长度方向的自由伸缩[7-8]。固定和滑动层压木块节点如图1所示。

图1固定/滑动层压木块节点图

根据液罐层压木块的物理机械性能，见表1，层压木块厚度和宽度组合起来形成热阻，既影响热量传递，又影响应力分布。一般层压木块厚度是根据热阻模型来计算获得，LNG独立C型液罐层压木块厚度行业取值380 mm，这样鞍座面板温度值可以选用E级钢板，层压木块宽度值一般300～500 mm之间，考虑现场施工的方便性，一般层压木块单块的重量不超过30 kg，层压木块在150°左右包角范围进行等分切分[9]。划分图如图2所示：

图2层压木块划分示意图

在对层压木块分层设计时，既要考虑木块本身导热和强度方面的性能差异，也要考虑产品在实际应用过程中的可操作性。

3、直接计算与有限元分析

C型独立液罐作为一种独立的船用压力容器，必须对罐体和木块进行必要的强度校核，一般采用直接计算和有限元软件分析相结合的方法来进行，本文以1650 m3LNG独立液罐为例来进行液罐和层压木块相关的计算。

直接计算法算液罐沿着液罐长度方向的收缩长度deltx=∆L=k×∆T×L(1)

式中：K为液罐钢板材料X7Ni9线性膨胀系数；∆T为从常温到液化天气温度的变化；L为固定环和滑动环罐长方向的距离。K=9.9×10-6∆T=183 L=19230 计算可得∆L=34.8 mm

此时滑动端层压木块上和罐体一起向着固定端滑动收缩，根据每个罐子的长度不同delt x的取值可以适当调整。

有限元法模拟分析液罐长度方向的收缩长度，同样以1650 m3LNG液罐为例，采用三维建模软件建模，其中罐体建曲面模型，木块采用实体模型[10]；木块采用C3D8R单元，壳体采用S4R单元，整个模型共计约十万个网格单元，液罐结构重量约100 T。

罐体材料采用9镍(X7Ni9)合金钢，层压木块和液货介质的物理参数如表1所示：

表1计算参数

图3长度收缩量delt x

从计算云图中，见图3可以看出，沿着液罐长度方向，艏封头最前段向着固定端加强环收缩-49 mm左右，艉封头最后端向着固定加强环收缩15 mm左右。为了准确的获得滑动端上木块的位移量，读取滑动端木块上处的结点位移数据如表2：

表2 滑动木块上节点位移量

从表2中看出滑动端木块上的节点位移量大约为34.6 mm，与直接计算法得出结果比较接近，说明两种方法相互验证，结果可靠准确。

液罐内部充满着LNG液体，在运动和加速度的影响下，必然会使得液罐结构产生应力，一般直接计算时利用镍钢板许用应力直接计算板厚，然后再用有限元软件来校核，有限元分析时采用米塞斯应力来衡量，并设置固定端与滑动端层压木块下表面固定约束，软件分析液罐整体应力水平如图4所示：最大米塞斯应力，178 MPa，没有超过许用应力227 MPa，钢板处于弹性变形阶段，整体结构比较安全[11-14]。

图4 液罐整体应力云图

固定端层压木块与滑动端层压木块，受力比较特殊，分别读取固定端层压木块和滑动端层压木块应力水平如图5和图6所示：最大应力均未超过许用应力70MPa木块结构安全[14]。

图5固定端层压木块应力云图

图6滑动端层压木块应力云图

通过以上分析说明液罐整体结构、固定端层压木块、滑动端层压木块受力比较合理，满足强度要求，后期在进行液罐层压木块产品设计时，可以参考这种方法。

5、结束语

国内大部分LNG独立C型液罐上的层压木块依赖进口，国内的层压木块厂家还需加大研发力度，减少与国外产品的差距，争取早日取代进口层压木；本文以1650 m3LNG液罐为例，通过直接计算和有限模拟算出了层压木块的滑动量，并对液罐结构和层压木的应力水平进行了分析与评估，为层压木块产品的设计和应用提了一定的参考和依据。

参考文献:

[1]中国船级社.散装运输液化气体船舶构造与设备规范[S].北京:人民交通出版社,2005.

[2]中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册(结构分册)[M].北京:国防工业出版社,2000.

[3]钢制压力容器-分析设计标准:JB 4732-2005[S].中国标准出版社,2005.

[4]杨青松.中小型液化天然气船C型独立液货舱支座设计研究[D].大连理工大学学位论文,2010.

[5]GB/T 19204-2020,液化天然气的一般特性[S].

[6]刘健奕.LPG船液罐设计及其支撑结构温度场分析[D].大连理工大学学位论文,2012.

[7]杨青松,陆从红,纪桌尚.中小型LNG船液罐鞍座及附件船体材料分布研究[J].中国舰船研究,2010,5(4):40-43.

[8]顾俊,王凡超.液化气运输船温度场研究及钢材匹配[J].船舶与海洋工程,2012,5(4):1-5.

[9]刘文华,蒋秋申,陆晟.中小型液化天然气船C型独立液货舱鞍座温度场分布[J].船舶设计通讯,2014,137(1):35-39.

[10]刘文华,陆晟.中小型LNG船C型独立液货舱蒸发率计算[J].船舶设计通讯,2012,130(1):27-28.

[11]刘新宇.独立C型液罐罐体及其支承构件结构强度直接计算研究[D].上海交通大学,2016.