基于LNG储气罐基座的有限元分析

第17卷 第9期 中 国 水 运 Vol.17 No.9 2017年 9月 China Water Transport September 2017
收稿日期：2017-06-06
作者简介：陈
峰，男，宿迁市地方海事局工程师。

基于LNG 储气罐基座的有限元分析
陈 峰
（宿迁市地方海事局，江苏 宿迁 223800）
摘 要：本文主要通过对目前LNG 燃料船舶储气罐（8m 3）罐体基座进行有限元计算分析，证明设计的罐体基座能满足规范要求，保证船舶航行安全。

关键词：储气罐；基座；有限元计算；应力
中图分类号：TU352.1 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2017）09-0135-03
引言
由于没有针对LNG 储气罐基座的设计，本文将参考柴油机主机基座和锚机基座的设计，在二者的基础上进行改进，设计出针对LNG 储气罐的基座。

LNG 储气罐在满罐时重量很重，势必会对储气罐的基座及基座的其它附属结构产生影响。

本文将建立储气罐的基座及其附属结构的有限元模型，利用MPC 多点约束施加载荷，进行船体储气罐基座的有限元强度分析。

一、LNG 船用储气罐相关设计标准及基本结构 1．设计制造相关标准
储罐系统的压力容器按照GB150-1998《钢制压力容器》、《压力容器安全技术监察规程》、《低温绝热压力容器》及其它相关标准进行设计、制造、检验和验收，并参考《IGC CODE 国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》、《双燃料发动机系统设计与安装指南》及《内河天然气燃料动力船舶法定检验暂行规定》等相关标准。

2．基本结构
本低温储罐为双层结构，内容器用低碳奥氏不锈钢（牌号为06Cr19Ni10或进口304钢板）制成，允许的最低工作温度为-196℃。

外壳（即夹套）用压力容器用钢板（牌号Q345R）制造。

一般固定式低温储罐采用真空粉末绝热方式。

本储罐用于移动设备，为缩小体积、减轻重量，增强保温效果，在内容器与外壳之间的夹层采用高真空多层缠绕绝热形式。

保温层采用多层铝箔纸和玻璃纤维纸，封结真空度达到3×102Pa。

内容器与外壳采用8个环氧玻璃钢支撑。

采用玻璃钢的原因是玻璃钢具有优良的绝热效果且强度足够。

内容器设置防波板，保证储罐在船舶航行过程的稳定，减小罐体晃动的影响。

管道与壳体的连接能经受内容器及管道自身的热胀和冷缩引起的应力的作用。

储罐的主要管口阀门和仪表（压力表、液体计等）布置在罐体右封头的正面，管路及阀门的排列整
齐，操作及维护方便。

图1 柴油—LNG 双动力船储罐结构简图 二、LNG 船用储气罐主要参数及构造： 几何容积：8.2m 3 充装率：0.9 有效容积：7.4m 3 设计压力：0.8MPa 最大工作压力：0.88MPa
静态蒸发率：≤0.524%/d （LN2）
外形尺寸：5,000mm×2,000mm×2,200mm （L×W ×H）
充装后储罐总质量：8,000kg
由于LNG 储气罐是一个圆柱形罐，如果采用传统的基座，根本不适合LNG 储气罐的安放。

下两图（图2、图3）为某一分列双筒液压锚机的示意图和某一主机基座的图纸。

图2 某分列双筒液压锚机示意图
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图3 某主机基座图纸
由上可知，对于LNG 储气罐，如果选用锚机或主机的基座将是极为不便的，甚至将会造成极大地安全事故。

因此本文在传统的锚机基座和主机基座设计的思想上进行改进，尝试性的设计出针对LNG 储气罐的基座，并对其进行有限元分析，以检验其应力水平。

三、LNG 储气罐基座有限元分析 1．有限元计算依据
根据CCS 船级社《国内航行海船建造规范》（船体部分）船首甲板锚机固定的强度要求，对68m 运砂船基座及支撑结构进行强度计算。

2．有限元模型
本计算书依据中国船级社《国内航行海船建造规范》规定进行；利用大型商用有限元软件MSC/PATRAN 、MSC/NASTRAN 进行双层底结构强度分析计算。

有限元模型的范围：LNG 基座，尾楼甲板，其纵向范围Fr-1~Fr6。

尾楼甲板下横舱壁板、纵舱壁、横梁。

有限元模型的单元类型：尾楼甲板、横纵舱壁板、LNG 基座等结构用壳单元模拟，其他用梁单元模拟。

有限元模型的材料参数：LNG 基座、尾楼甲板、横纵舱壁等结构均采用普通235钢，其弹性模量112.0610E Pa =⨯，泊松比0.3ν=。

有限元模型坐标系：直角坐标系，X 轴由尾部指向首部为正，Y 轴由右舷指向左舷为正，Z 轴垂向向上为正。

有限元模型单位：长度为m，力为N。

图4~图8
显示了整体和局部有限元模型情况。

图4 LNG
储气罐基座、尾部甲板结构有限元模型
图5 LNG
储气罐基座有限元模型
图
6 尾部甲板结构
图7 LNG 储气罐、尾部甲板结构厚度 3．边界条件
在甲板、骨材、桁材及横纵舱壁的边缘处均限制平动自由。

其边界条件如图8
所示。

图8 有限元模型的边界条件
4．许用应力衡准
根据CCS“锚机固定部分的船体结构强度校核建议” ，许用应力强度衡准见表1。

表1 许用应力强度衡准
构件类型 工况A
梁/交叉梁系
[]MPa y 45.15767.0==σσ
板元
[]MPa
y
e 5.1647.0==σσ
其中，板的应力采用单元的中面应力。

合成应力按下式
求解：
von σ=
这里：x σ表示x 向正应力
第9期 陈 峰：基于LNG 储气罐基座的有限元分析 137
y σ表示y 向正应力 xy τ表示剪切应力
5．受力情况
（1）首先，LNG 储气罐基座及其支撑结构受重力，本文取g=-98.1m/s2。

（2）LNG 储气罐在装满气体的时候，气体及储气罐的总重为8,000kg。

有效容积为7.2m 3
，LNG 的密度取为
600kg/m 3，则LNG 总重为
33600/7.4 =4440kg m
v kg m m LNG
ρ==⨯
则LNG 储气罐的罐重为
8000kg 4440kg =3560kg m =-储气罐
因此，LNG 储气罐的半重为1,780kg。

将LNG 储气罐的半重折合成图5所示 LNG 储气罐半圆柱形支架的板厚，则b 7850t 5 3.141780⨯⨯⨯=，解之得b t 14.44mm =，本文取为15mm。

半圆柱形支架的设计板厚为10mm，经过折合后为25mm。

（3）LNG 上半圆柱形的重量利用MPC 多点约束的方法施加，施加MPC 后如图9
所示。

图9 有限元模型施加MPC
（4）LNG 液体的对半圆柱形支架的压力，LNG
P gh 600*9.81*(2.173-'Z)ρ==，其中2.713为LNG 储气罐最顶端到尾部甲板平面的垂直距离。

（5）由于本船为内河船，故不考虑甲板上浪，不计算波
浪载荷。

6．计算结果
计算结果显示输出如下： 注：应力单位：Pa
变形单位：m
图
10 变形云图
图
11 合成应力云图
图
12 横梁和纵桁的最大组合应力云图（Pa）
图13 横梁和纵桁的最小组合应力云图（Pa） 7．计算结果及应力水平
应力水平汇总见表2，变形结果见表3。

表2 内河柴油——LNG 双动力船LNG 储气罐基座机器支撑结
构最大应力汇总
计算工况
甲板合成应力 梁系最大组合应力
（MPa） （MPa） 工况1
计算应力 14.8 11.7 许用应力 164.5 157.45 是否满足
满足
满足
表3 板架最大变形汇总
计算工况 工况1 变形（mm）
0.153
8．结论
LNG 储气罐基座及船体结构局部强度满足规范要求。

四、总结
本文主要从安全角度出发，分别从总体布置设计、混燃管路系统设计、电器系统设计等方面考虑内河柴油——LNG 双动力船的安全设计。

由于没有针对性的LNG 储气罐的基座，本文尝试性的设计了LNG 储气罐的基座，并对LNG 储气罐基座及其支撑结构进行有限元分析，分析结果表明，本文设计的LNG 储气罐基座是满足规范要求的。

参考文献
[1] 张光建，孙伟松，高嵩.储气罐问题实例分析[J].现代商贸
工业，2010，7：285~286.
[2] 曹建英，习仲萍.加气站用储气罐的边缘应力分析[J].现代
机械，2009，1：77~79.
[3] 王晖，马思嘉，孔庆哲.威金斯储气罐应力和变形分析[J].
煤气与热力，2007，2：21~23.。