橇裝式LNG加氣站管路系統(tǒng)的應(yīng)力強度及振動諧響應(yīng)的分析研究.pdf

1、節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟是當今世界人們最為關(guān)注的問題，天然氣和天然氣汽車是人們普遍認可的有效節(jié)能減排措施。橇裝式液化天然氣(Liquid Natural Gas，LNG)加氣站將主要設(shè)備集成在一個整體底座上，具有占地面積小、建站成本低、移動搬運方便等優(yōu)越性，愈來愈受到市場的親睞。其管路系統(tǒng)由于集成化程度高、排布設(shè)計復(fù)雜，并且長期在-162℃的超低溫和1.6 MPa內(nèi)壓環(huán)境下運行，對整個管路系統(tǒng)安全可靠性有重要的影響。本文以橇裝式LNG加氣站的

2、管路系統(tǒng)為研究對象，進行工藝流程設(shè)計和三維結(jié)構(gòu)設(shè)計，運用ANSYS有限元軟件對管道系統(tǒng)的溫度場、應(yīng)力強度、模態(tài)和諧響應(yīng)進行模擬和分析，獲得以下主要結(jié)論和創(chuàng)新性成果:
　　(1)根據(jù)自增壓卸車、潛液泵卸車、自增壓和泵聯(lián)合卸車、加液、調(diào)飽和、同時卸車和加液的功能需求，設(shè)計了單泵式管路系統(tǒng)的工藝流程，在此基礎(chǔ)上建立了相應(yīng)的三維模型，驗證了橇裝管路功能集成化和結(jié)構(gòu)排布上的可行性。
　　(2)建立了在6種不同運行工況下管路系統(tǒng)的有限元

3、模型，模擬分析了其溫度場分布規(guī)律，分析表明:在6種工況下，管路溫度分布均勻，梯度變化平緩。
　　(3)綜合考慮管路溫度場、管道內(nèi)壓、重力和隨溫度變化時管道材料自身的非線性，建立了6種工況的熱，結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力分析模型，并且進行了強度試驗。結(jié)果表明:最大應(yīng)力位于儲罐氣相管三通和潛液泵進液管處，經(jīng)綜合軸向、徑向和環(huán)向法和應(yīng)力線性化法，判定強度合格，整體管路的強度符合設(shè)計要求;-162℃超低溫導(dǎo)致的熱應(yīng)力是形成管道綜合應(yīng)力的決定性因素，而1

4、.6MPa內(nèi)壓不是主要因素，低溫環(huán)境中，管道主要沿軸線方向發(fā)生冷縮變形，并使得軸向應(yīng)力增幅最大，管道按圓周截面方向也會發(fā)生一定收縮，但環(huán)向應(yīng)力的增幅遠不如軸向應(yīng)力，低溫環(huán)境對管道徑向應(yīng)力的影響最小;不同工況下的應(yīng)力和形變情況表明，實際運行中涉及的管路越多，內(nèi)壓和低溫對管道的作用會更加均勻，反而使得整體管路的應(yīng)力和變形略有下降。
　　(4)振動模態(tài)的分析結(jié)果表明:自由和約束模態(tài)下整體管路的前6階固有頻率范圍是3～75Hz，避開了潛液

5、泵的共振區(qū)，且振型以擺動和彎曲為主，沒有扭轉(zhuǎn)變形和異形突起;自由模態(tài)的固有頻率遠遠小于約束模態(tài)，并且自由模態(tài)＜工況2＜工況4和5＜工況1、3和6，說明法蘭處固定約束，本質(zhì)是減少系統(tǒng)的自由度，會導(dǎo)致固有質(zhì)量矩陣、固有阻尼矩陣和固有剛度矩陣的降階，從而增大固有頻率;由加液管和支管的位移頻率-響應(yīng)函數(shù)曲線可知，泵的轉(zhuǎn)速越低，出口處激勵越小，引發(fā)的位移響應(yīng)就越弱，Z向動位移最大，X向和Y向分別次之，各向位移幅值都在安全范圍內(nèi)，可以有效克服啟、停