基于ANSYS的高真空超低温泵池的应力有限元分析

 陈珑彦，徐永雨

 （华润（南京）市政设计有限公司，江苏  南京  210000）

摘要：高真空超低温泵池运行在-162℃的低温环境且受1.6 M Pa的内压，、是特种超低温压力容器。为研究其结构的安全可靠性，借助ANSYS软件，根据实际运行状态进行热-结构耦合瞬态应力分析。结果表明：各环境温度下泵池的强度符合许用应力要求，环境温度越高产生的热应力越大；安全阀开启值宜设定为1.2M Pa～1.4 M Pa。

关键词：泵池；有限元分析；应力强度；瞬态分析；ANSYS中图分类号：TP3 91.7

 0引言

 液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）是当今世界公认的清洁能源，城市公交车和出租车已经广泛使用LNG为燃料Ⅲ，管路、泵池和储罐是橇装式LNG加液站的重要组成部分。Son H．Ho等模拟出LNG储罐内部管路的流场和温度场；Man-SikMyeong等为研究在受压和弯曲共同作用下管道连接处的极限载荷和裂纹情况，建立了管道及其连接处的三维模型，并进行了有限元仿真；M. Moslemi等采有流固耦合有限元法，模拟了LNG储罐在地震中的动态响应；Jianyun Shi等研究了在外部极端情况下储罐的失效状况。由此可见，目前的研究多集中于管路和储罐，而鲜有关于橇装式LNG加液站中泵池的研究。泵池结构复杂，运行过程中需要承受-162℃的超低温和1.6 M Pa内压的耦合作用，实际运行过程中，既要保证良好的绝热性能又要确保安全可靠性，因此泵池是橇装式LNG加液站的设计难点和关键部分。

 本文运用有限元软件ANSYS对某公司的高真空超低温泵池进行热-结构耦合瞬态分析，以期得到实际运行时不同环境温度下的应力分布状况，同时模拟了应力随运行时间的变化关系，为高真空超低温泵池的优化设计提供一定参考。

1高真空超低温泵池的物理模型

 结合目前某公司的泵池产品，采用三维软件UG建立高真空超低温泵池的三维模型，如图1所示。

 内简体装配在外简体里面，两简体之间夹层抽成高真空，外筒体暴露在外界环境中，工作时LNG从进液口进入，从出液口流出，由于热传导的作用，LNG会逐步气化，增大内筒体和进、出液管的内压力。

2泵池热-结构耦合瞬态分析

 首先进行热分析，然后将温度场载荷加载到瞬态结构应力分析中，材料选取S30408不锈钢，其密度为7750 kg/m3，弹性模量为1.93×1011 Pa，泊松比为0. 31，固体间热传导系数为15.1 W／(m2．℃)，空气热交换系数为5 W／(m2．℃)，内筒体的设计压力和温度分别为1.6 M Pa和-162℃，外简体的设计压力和温度分别为-0.1 M Pa和50℃。

 图2为环境温度分别为-20℃、0℃和50℃三种工况下泵池内筒体、进液管道和出液管道的内压力一时间函数关系。

3讨论分析

 有限元模拟分析得到的泵池最大von Mises应力云图如图3所示。

 在工况1～工况3下，随着LNG的不断气化，当内简体压力达到1.6 M Pa，进、出液管的压力达到1 M Pa时，最大von Mises应力分别为225. 54 M Pa、229. 28 M Pa和239. 03 M Pa，且都表现为拉应力，位于内筒体进液口管道的外壁。

 图4为各工况下最大von Mises应力和轴向、径向、环向应力随时间变化的曲线。

 由图4可以得出：0 s～100 s之间，各类应力值都较小，100 s～125 s之间，应力值阶跃式增加，并在125 s后趋于平稳，由此可知，应力值随着内压力的增加而增大，径向应力相对较小，而环向应力和轴向应力较大，这是由于内外简体和进、出液管道为薄壁圆筒类零件，在内壁承受内压载荷时，主要产生轴向和环向应力。

 不同温度下von Mises应力和轴向、径向、环向应力的极值如表1所示。由表1可以发现，随着外界温度的升高，von Mises应力和轴向、径向和环向应力也会随之增大。即使采用了高真空设计，但是由于零件之间的热传导，外界环境对内简体依然存在一定的影响。泵池使用时内简体温度在-162℃，外界环境温度越高，产生的温差就越大，因而产生的热应力就越大。

 内简体进液管在工况3下150 s时出现von Mises应力最大值，需校核此最危险部位的强度。沿壁厚方向作应力线性化分析，得到的各类应力分解结果如图5所示。

 (2)线性化处理结果显示进液管处的峰值应力变化幅度很小，且最大值也仅为12. 826 M Pa，故峰值应力几乎不会对进液管造成严重的疲劳破坏。

4结论

 (1)采用ANSYS有限元数值模拟的方法，对高真空超低温泵池的各项应力进行了非线性热-结构瞬态分析，结果表明，泵池基本能适应外界多变的温度和自身内压的变化，结构较为合理，具有一定的安全性和可靠性。

 (2) LNG的超低温对泵池产生的热应力是无法避免的，但由于气化引起的内压变化则是可以控制的。当内筒体内的LNG气化量较少、引起的内压载荷较低时，产生的应力较小，但是当内压上升到1.6 M Pa后，最大应力出现突然增大的情形，这需要极力避免。因此，泵池上需加装安全放散阀，但安全阀的开启压力不应过低，过低会提高安全阀的开启频率，增加天然气放散卸压造成的浪费，综合考虑后安全阀的开启压力宜设定在1.2 M Pa～1.4 M Pa。

 (3)泵池的外界温度越高，与内部的温差越大，产生的热应力就越大。因此，为进一步提高其绝热性能，在强度符合的条件下，应减少内筒体与外界部件的接触面积，达到减小热传导的目的。