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LNG船装卸货管路系统应力分析

发布时间:2020-01-11 19:43

一、管道应力分析的发展
管道的应力分析主要在以下两方面得到广泛的应用:
一方面是管道设计。管道设计是设计人员运用工艺、材料、力学、机械、设备、仪表、电气、计算机等多学科知识,根据拟设计装置工艺、设备、土建、电气、仪表等各专业的设计要求,结合装置建设的地理、地质、人文、气候和气象条件,并遵循相关法规和规定,用管道及其组件将装置中各设备安全、经济、合理的连结的智力劳动。压力管道工程设计分为管道布置、管道材料和管道机械设计三个部分,管道材料设计是基础,管道布置设计是目的,管道机械设计是保障。设计是保证管道安全运行的关键,不适当的设计将直接导致管道的破坏。为了使管道应力及与管道相连接的容器的应力在规定的许用范围内,同时计算出各种支撑及约束的设计载荷,确定因各种冲击所导致的管道位移,解决管道动力学问题,并帮助配管优化设计,通常需要进行管道应力分析。
另一方面是管道安全评定。管道的安全状况取决与材料、缺陷和应力三者的有机结合。必须进行管道应力分析,才能准确地确定管道中缺陷所在处的应力,这是管道安全评定的关键之一。
在工业管道行业中,管道应力分析使用最广的是下列两种标准:
(1)英国的管道设计标准BSEN13480-3-2002《金属工业管道标准》。
(2)美国的设计标准ASMEB31《美国受压及动力管道系统标准》。
早在1915年,美国电力管道协会就制定了第一份国家压力管道标准规范。随后在1926年,由美国标准协会(ASA)组织编制,美国机械工程师学会(ASME主办,专业委员会成员来自约40个不同的工程学会、行业、政府管理局和各行业团体开始着手压力管道的B31计划。首版标准于1935年问世,即《美国试行标准一一压力管道规范》。1942年正式以标准号ASAB31.1出版。该规范中定义了基本应力、断裂(疲劳破坏)理论及最大应力强度准则,包括八面剪应力理论(VONMISES理论)、最大剪应力理论(TRESSCA理论)、最大主应力理论(RANKINE理论),这些理论都认为材料的任意三维应力状态的断裂与在同轴拉伸试验样品中某一个应力状态断裂有关。因为单向拉伸实验是决定材料的强度许用值最常用的实验,所以样品的单向拉伸断裂被认为是样品产生了或发生了塑性变形,且在断裂发生时物体的剪应力为最大值。这种破坏模式可以描述由偶然载荷引起的破坏。
然而,管子和容器在正常服务使用数年后,可能会发生突然断裂,对此现象较好的解释就是材料的疲劳破坏。A.R.C.Markl在20世纪40年代到50年代期间研究了管道的疲劳破坏断裂现象,并于1953年公开发表了其研究结果《管道柔性分析》,介绍了基于“应力范围”的方法进行管道应力分析。他采用对不同弯曲应力的循环位移法,对大量的不同管子结构进行了实验(直管,各种不锈钢管件,如90°弯头,45°弯头,无补强三通,焊接三通等),结果发现其实验结果符合疲劳曲线形式。于是他扩展了应力设计,指出初始极限是热和冷屈服应力之和的最大应力范围。同时,Markl注意到疲劳破坏通常不发生在实验样品的中部,而起源于管件的连接部分的结合处,而且在那些情况下,也经常发生在低应力循环组合处,这比在直管段上发生的疲劳破坏更多。早期认为不锈钢弯头在受弯曲时有变成椭圆的趋势,引起管子外沿线向管子中性轴靠近,所以减少了转动惯量(增加了柔性)和截面模量(增加了形成的应力),于是引入了弯头的应力增强系数,并拟合成了公式。如今,这些增强系数的方程已经被管道标准所接受和承认。
在我国,目前还没有管道应力分析国家标准。石油化工管道应力分析常用的规范标准有《工业金属管道设计规范》(GB50316-2000),《石油化工企业管道柔性设计规范》(SHJ41-91)等。
二、LNG舟nA装卸货管路应力分析的现状
LNG船低温管路与日常生产及生活常见的管路,如化工工业管路系统、城市市政工程管路系统、石油或天然气远距离输送管路系统及机械设备上的管路系统等有很大区别,首先其设置在船舶上,既像传统机械设备管路一样是随船舶运动的,但是又远远大于传统机械设备管路,组成部分多,设计复杂,属于大型管路系统;其次,其工作环境为-163℃的超低温,还伴随着巨大的温差变化;再次,大量频繁的船体变形对管路系统造成巨大影响,增大管路应力、改变管路柔性等。以上所述均为LNG船低温管路系统有别于常见管路的地方。

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