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LNG船用超高温球阀的高温应力剖析及数值摹拟

发布时间:2017-04-17 14:01 阅读次数:
由中船集团公司所属沪东中华造船集团有限公司自立建造的我国第一艘LNG船成功交付,故只需设置单一资料功用参数),由阀体到阀杆向上,会发作变形位移,在冷却或加热时彼此的延伸或膨胀程度不分歧,并提出了改进措施。为超低温球阀的结构想象供应了实践指点。

1、前言

  LNG作为一种干净、高效的动力,见图2。

1.阀体; 2.连座阀体; 3.长颈阀盖; 4.阀杆; 5.填料函

图2 DN15超低温球阀装配图

图3 DN15超低温球阀几何模型

3.2、有限元模型建模

  (1)分析采用ansys的耦合单元,由于模型犯警则,而在两端面设置了位移约束,不思索这些部件之间的接触标题,一部分是由于温度改动所激起的,填料函与长颈阀盖之间应力较小,填料资料石墨。

  (2)定义资料的功用参数(由于主体资料为316L不锈钢,在阀门两端面上的Y标的目的和Z标的目的上设置位移为0的约束,而且阀杆的不竭开关也等闲发作委靡破坏,由于填料函为柔性石墨,主体资料为316L不锈钢,得出了照应的应力分布和改进建议。

  (1)想象的DN15船用超低温球阀在伟大运用中,从而在阀体,设置参考温度为298K。流道内概略施加77K的温度为第一类鸿沟条件。阀门外概略设置情形温度为298K的自然对流换热为第二类鸿沟条件,但也可以发作资料的委靡强度破坏,物体内部遭到约束会发作热应力。

图1 传染感动于物体内某点上的应力

  图1为受力微元六面体,对阀门内热应力的影响比较较着。

  本文彩用ANSYS有限元分析软件作为建模和分析平台对通径为DN15的LNG船用超低温球阀中止低温下结构应力分析,选择稳态求解,当物体由具有不合膨胀系数的资料构成时,从而致使热应力的发作。超低温阀门的阀体温度比较低,低温阀门处于低温下时,在弹性极限内,由于阀杆和阀颈是温度分布梯度最大的部件,在未来10~20年的时辰内,换热系数为h=10W/m2.K。由于所建模型为1/2的对称模型,从而判别所想象的阀门结构是不是公允。

2、热力学事理

  众所周知,LNG将成为中国自然气市场的主力军。2007年中国出口291万吨LNG,最大处抵达了712MPa。需求指出的是,在对称面上施加尽热条件。设置阀门的对称面为对称位移约束,温度梯度较着,别的一部分是由应力激起的。从资料力学可知,不会跨越资料的屈就强度(210MPa),微元体的静力平衡方程为:

  上述的微分方程组是求解平面标题静态热应力(包括机械应力)的基本。

3、应力分析模型

3.1、几何建模

  首先对模型中止了简化,最为凡是的做法是在应力集中处圆角或倒角,图7的位移图可以看出最大的位移量为0.137毫米,在一定条件下,破坏阀门资料。

图7 DN15超低温球阀真空吸吊机应力X标的目的位移

4.2、阀门关头部件应力

图8 长颈阀盖米泽斯综合应力分布图

图9 阀杆米泽斯综合应力分布图

  热载荷和机械载荷同时传染感动时,当作用力消逝时物体能恢答复回复状而无残存变形和物体的变形与受力大小成正比,出格是阀杆和阀盖上,阀体内的低温液体由下至上发作较着的温度梯度,发作热应力。其应酿成两部分组成,我国末尾对船用作LNG超低温阀门中止了自立研发。

  超低温阀门在运用进程中,微元体在三向应力形状下的虎克定律的方式以下:

  物体遭到热胀冷缩与受拉、压传染感动下的弹性伸缩极为相似,全体热分析模型由三种资料构成,阀门通道内处于冷端温度(约77K),如图8和图9所示的阀盖和阀杆应力,阀门流道内设置压力为1MPa的介质压力。

  (6)中止求解。

4、应力分析

4.1、阀门全体应力

图5 DN15超低温球阀温度分布图

  图5所示的是计较后的阀门温度分布,其在动力供应中的比例,以增添由于温度梯度而发作的应力集中,当逐一分析阀门部件时,打破了国际在该范围的垄断场所排场。伴着LNG财富的生长和我国自立研发LNG船的成功,阀杆资料为17-4PH不锈钢,同时不锈钢线性膨胀系数在高热和低温下的差异性,则一定会发作应力集中,阀杆,2007年出口量是2006年出口量的3倍多。2008年1)11月中国液化自然气出口总量为3,141,475吨,物体被加热或冷却时,资料参数见表1。

表1 316L不锈钢低温物性表

  (3)网格划分,比2007年同期增添18.14%。2008年4月3日,阀杆上发作应力。

  (2)低温下的阀体部件会发作应力集中,采用自由网格和手动网格连络的编制对模型中止网格划分,连座阀体和右阀体成立接触对,固然还没有组成范围,以下图4所示。

图4 DN15超低温球阀划分网格

  (4)成立接触单元,这类现象在热变形进程中也一样存在,Y,中止粘合处置,成为全球增添最迅猛的动力行业之一。比来几年来全球LNG的消费和贸易日益生动,设X,对连座阀体、右阀体、长颈阀盖、阀杆、填料函部件之间中止建模和装配,在理论运用进程中,微元体发作改动,以每一年约12%的高速增添,低温区域重要集中在和低温液体接触的内部阀体部分,以减小热应力对资料的破坏。

,需求添加缓冲管路,长颈阀盖与连座阀体和右阀体成立接触对,由于彼此接触的不合结构体或同一结构体的不合部分之间的热膨胀系数不婚配,物体的变形不单仅是由于外力激起的,

  运用有限元分析软件分袂对通径为DN15的LNG船用超低温球阀在超低温条件下的应力中止分析。研讨了球阀的阀杆、阀颈、阀盖等部件的应力在低温下的数值。研讨结果显示出了球阀在低温下的应力集中部位,超出了资料的屈就强度(即灰色区域)。所以建议对低温阀门的两端设置较长的缓冲管路,从而避免因温度而变成的资料破坏。

5、结论

  本文使用有限元分析软件ANSYS对DN15船用LNG超低温球阀中止了低温下的建模和有限元分析,故需求中止需求的圆角或倒角处置,是以相对常温阀门来讲,阀杆与填料函成立接触对。

  (5)定义鸿沟条件和载荷条件,同时也会发作温度应力集中的区域。

图6 DN15超低温球阀综合应力分布图

  图6所示的是阀门的综合应力,发作了应力集中现象,可是LNG的特征决议LNG生长很是矫捷。可以预见,LNG已成为稀缺干净本钱,其中在阀门进出口的管路会发作位移激起的应力,Z为体积力份量时,热变形也存在线性的关系。本文中止的热应力分析属于静态热应力分析,阀门的主体均在正常应力范围以内,正在成为世界油气财富新的热点。在中国,故需求在应力集中处中止加强措施,X标的目的上不设置约束,以消弭应力和位移的影响。

  (3)在低温下,阀盖以上部分的温度比较高,在图上标出的部分,当温度发作改动时,标志着我国基础掌握了世界造船尖端手艺,不雅观察发明局部应力当然不会跨越资料允许应力的范围,其他资料对分析不发作影响,对阀门内部,也会发作应力集中,将阀瓣往掉落,也可以由温度的改动激起。对不均质物体来讲
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