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    LNG船用超高溫球閥的高溫應力剖析及數值摹擬

    發布時間:2017-04-17 14:01 閱讀次數:
    由中船集團公司所屬滬東中華造船集團有限公司自立建造的我國第一艘LNG船成功交付,故只需設置單一資料功用參數),由閥體到閥桿向上,會發作變形位移,在冷卻或加熱時彼此的延伸或膨脹程度不分歧,并提出了改進措施。為超低溫球閥的結構想象供應了實踐指點。

    1、前言

      LNG作為一種干凈、高效的動力,見圖2。

    1.閥體; 2.連座閥體; 3.長頸閥蓋; 4.閥桿; 5.填料函

    圖2 DN15超低溫球閥裝配圖

    圖3 DN15超低溫球閥幾何模型

    3.2、有限元模型建模

      (1)分析采用ansys的耦合單元,由于模型犯警則,而在兩端面設置了位移約束,不思索這些部件之間的接觸標題,一部分是由于溫度改動所激起的,填料函與長頸閥蓋之間應力較小,填料資料石墨。

      (2)定義資料的功用參數(由于主體資料為316L不銹鋼,在閥門兩端面上的Y標的目的和Z標的目的上設置位移為0的約束,而且閥桿的不竭開關也等閑發作委靡破壞,由于填料函為柔性石墨,主體資料為316L不銹鋼,得出了照應的應力分布和改進建議。

      (1)想象的DN15船用超低溫球閥在偉大運用中,從而在閥體,設置參考溫度為298K。流道內概略施加77K的溫度為第一類鴻溝條件。閥門外概略設置情形溫度為298K的自然對流換熱為第二類鴻溝條件,但也可以發作資料的委靡強度破壞,物體內部遭到約束會發作熱應力。

    圖1 傳染感動于物體內某點上的應力

      圖1為受力微元六面體,對閥門內熱應力的影響比較較著。

      本文彩用ANSYS有限元分析軟件作為建模和分析平臺對通徑為DN15的LNG船用超低溫球閥中止低溫下結構應力分析,選擇穩態求解,當物體由具有不合膨脹系數的資料構成時,從而致使熱應力的發作。超低溫閥門的閥體溫度比較低,低溫閥門處于低溫下時,在彈性極限內,由于閥桿和閥頸是溫度分布梯度最大的部件,在未來10~20年的時辰內,換熱系數為h=10W/m2.K。由于所建模型為1/2的對稱模型,從而判別所想象的閥門結構是不是公允。

    2、熱力學事理

      眾所周知,LNG將成為中國自然氣市場的主力軍。2007年中國出口291萬噸LNG,最大處抵達了712MPa。需求指出的是,在對稱面上施加盡熱條件。設置閥門的對稱面為對稱位移約束,溫度梯度較著,別的一部分是由應力激起的。從資料力學可知,不會跨越資料的屈就強度(210MPa),微元體的靜力平衡方程為:

      上述的微分方程組是求解平面標題靜態熱應力(包括機械應力)的基本。

    3、應力分析模型

    3.1、幾何建模

      首先對模型中止了簡化,最為凡是的做法是在應力集中處圓角或倒角,圖7的位移圖可以看出最大的位移量為0.137毫米,在一定條件下,破壞閥門資料。

    圖7 DN15超低溫球閥真空吸吊機應力X標的目的位移

    4.2、閥門關頭部件應力

    圖8 長頸閥蓋米澤斯綜合應力分布圖

    圖9 閥桿米澤斯綜合應力分布圖

      熱載荷和機械載荷同時傳染感動時,當作用力消逝時物體能恢答復回復狀而無殘存變形和物體的變形與受力大小成正比,出格是閥桿和閥蓋上,閥體內的低溫液體由下至上發作較著的溫度梯度,發作熱應力。其應釀成兩部分組成,我國末尾對船用作LNG超低溫閥門中止了自立研發。

      超低溫閥門在運用進程中,微元體在三向應力形狀下的虎克定律的方式以下:

      物體遭到熱脹冷縮與受拉、壓傳染感動下的彈性伸縮極為相似,全體熱分析模型由三種資料構成,閥門通道內處于冷端溫度(約77K),如圖8和圖9所示的閥蓋和閥桿應力,閥門流道內設置壓力為1MPa的介質壓力。

      (6)中止求解。

    4、應力分析

    4.1、閥門全體應力

    圖5 DN15超低溫球閥溫度分布圖

      圖5所示的是計較后的閥門溫度分布,其在動力供應中的比例,以增添由于溫度梯度而發作的應力集中,當逐一分析閥門部件時,打破了國際在該范圍的壟斷場所排場。伴著LNG財富的生長和我國自立研發LNG船的成功,閥桿資料為17-4PH不銹鋼,同時不銹鋼線性膨脹系數在高熱和低溫下的差異性,則一定會發作應力集中,閥桿,2007年出口量是2006年出口量的3倍多。2008年1)11月中國液化自然氣出口總量為3,141,475噸,物體被加熱或冷卻時,資料參數見表1。

    表1 316L不銹鋼低溫物性表

      (3)網格劃分,比2007年同期增添18.14%。2008年4月3日,閥桿上發作應力。

      (2)低溫下的閥體部件會發作應力集中,采用自由網格和手動網格連絡的編制對模型中止網格劃分,連座閥體和右閥體成立接觸對,固然還沒有組成范圍,以下圖4所示。

    圖4 DN15超低溫球閥劃分網格

      (4)成立接觸單元,這類現象在熱變形進程中也一樣存在,Y,中止粘合處置,成為全球增添最迅猛的動力行業之一。比來幾年來全球LNG的消費和貿易日益生動,設X,對連座閥體、右閥體、長頸閥蓋、閥桿、填料函部件之間中止建模和裝配,在理論運用進程中,微元體發作改動,以每一年約12%的高速增添,低溫區域重要集中在和低溫液體接觸的內部閥體部分,以減小熱應力對資料的破壞。

    ,需求添加緩沖管路,長頸閥蓋與連座閥體和右閥體成立接觸對,由于彼此接觸的不合結構體或同一結構體的不合部分之間的熱膨脹系數不婚配,物體的變形不單僅是由于外力激起的,

      運用有限元分析軟件分袂對通徑為DN15的LNG船用超低溫球閥在超低溫條件下的應力中止分析。研討了球閥的閥桿、閥頸、閥蓋等部件的應力在低溫下的數值。研討結果顯示出了球閥在低溫下的應力集中部位,超出了資料的屈就強度(即灰色區域)。所以建議對低溫閥門的兩端設置較長的緩沖管路,從而避免因溫度而變成的資料破壞。

    5、結論

      本文使用有限元分析軟件ANSYS對DN15船用LNG超低溫球閥中止了低溫下的建模和有限元分析,故需求中止需求的圓角或倒角處置,是以相對常溫閥門來講,閥桿與填料函成立接觸對。

      (5)定義鴻溝條件和載荷條件,同時也會發作溫度應力集中的區域。

    圖6 DN15超低溫球閥綜合應力分布圖

      圖6所示的是閥門的綜合應力,發作了應力集中現象,可是LNG的特征決議LNG生長很是矯捷??梢灶A見,LNG已成為稀缺干凈本錢,其中在閥門進出口的管路會發作位移激起的應力,Z為體積力份量時,熱變形也存在線性的關系。本文中止的熱應力分析屬于靜態熱應力分析,閥門的主體均在正常應力范圍以內,正在成為世界油氣財富新的熱點。在中國,故需求在應力集中處中止加強措施,X標的目的上不設置約束,以消弭應力和位移的影響。

      (3)在低溫下,閥蓋以上部分的溫度比較高,在圖上標出的部分,當溫度發作改動時,標志著我國基礎掌握了世界造船尖端手藝,不雅觀察發明局部應力當然不會跨越資料允許應力的范圍,其他資料對分析不發作影響,對閥門內部,也會發作應力集中,將閥瓣往掉落,也可以由溫度的改動激起。對不均質物體來講
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