CN113127999B - 双壁管法兰的应力和强度评估方法 - Google Patents

双壁管法兰的应力和强度评估方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种双壁管法兰的应力和强度评估方法，包括：确定双壁管法兰的许用应力值；创建双壁管的有限元模型，并对双壁管法兰进行有限元计算，计算出双壁管法兰在预设加载条件下的理论应力值；判断理论应力值是否等于或小于许用应力值的1.2倍，若理论应力值大于许用应力值的1.2倍，则双壁管法兰的强度不符合要求，调整双壁管法兰的型号或者双壁管的布局方式，重复上述步骤，直至双壁管法兰的强度符合要求；在双壁管法兰的强度符合要求时，测量双壁管法兰的试验应力值；利用试验应力值对理论应力值进行修正。本申请在双壁管设计阶段即可利用理论应力值对双壁管法兰的强度进行分析，进而获取双壁管的密封性能，为船舶安全运行提供指导。

Description

双壁管法兰的应力和强度评估方法
技术领域
本申请涉及双壁管应力计算技术领域，尤其涉及一种双壁管法兰的应力和强度评估方法。
背景技术
液化天然气作为一种清洁能源，广受航运公司的关注，基于液化天然气的双燃料船用发动机已成为船用发动机的主流型号之一。考虑到液化天然气的易燃易爆特性，液化天然气供气系统采用双壁管结构，双壁管结构包括外管、内管以及连接外管和内管的双壁管法兰，该双壁管结构使外管流动的空气将内管泄漏的液化天然气输送至舱外，保证船舶的安全运行。
双壁管法兰作为管道间的连接部件，其强度直接影响双壁管的密封性能。双壁管法兰的强度与双壁管法兰的应力有关，为了保证双壁管具有良好的密封性能，有必要对双壁管法兰进行应力和强度评估，但是，并没有针对双壁管法兰的合理的应力和强度评估方法。
发明内容
本申请的目的是提供一种双壁管法兰的应力和强度评估方法，其在双壁管设计阶段即可获取双壁管法兰的理论应力值，进而利用理论应力值对双壁管法兰的强度进行分析，并获取双壁管的密封性能，为船舶安全运行提供指导。
第一方面，本申请实施例提供一种双壁管法兰的应力和强度评估方法，包括：
S1：确定双壁管法兰的许用应力值，以及双壁管的技术参数；
S2：创建双壁管的有限元模型，并基于双壁管的热膨胀、热位移和热约束特性对双壁管法兰进行有限元计算，计算出双壁管法兰在预设加载条件下的理论应力值；
S3：判断理论应力值是否等于或小于许用应力值的1.2倍；若理论应力值大于许用应力值的1.2倍，则双壁管法兰的强度不符合要求，调整双壁管法兰的型号或者双壁管的布局方式，重复步骤S2，直至理论应力值等于或小于许用应力值的1.2倍，双壁管法兰的强度符合要求；
S4：在双壁管法兰的强度符合要求时，测量双壁管法兰的试验应力值；
S5：利用试验应力值对理论应力值进行修正。
在一种可能的实施方案中，在步骤S2之前，步骤S1之后，还包括：
对双壁管施加约束；约束包括固定约束和滑动约束。
在一种可能的实施方案中，步骤S2包括：
创建双壁管的有限元模型，并依次输入双壁管的技术参数；
确定双壁管法兰的位置，并在有限元模型中设置双壁管法兰的三维坐标点；
基于双壁管的热膨胀、热位移和热约束特性对双壁管法兰进行有限元计算，计算出双壁管法兰在预设加载条件下的理论应力值。
在一种可能的实施方案中，在步骤S2中，利用CAESAR II管道应力分析软件或者ANSYS有限元计算软件创建双壁管的有限元模型。
在一种可能的实施方案中，步骤S4包括：
利用温度测量系统获取外管内部流体的温度值；
在应力测试系统中输入外管内部流体的温度值，并利用应力测试系统测量双壁管法兰的试验应力值。
在一种可能的实施方案中，应力测试系统包括设在双壁管法兰上的应变片、信号调理器、应变仪和数据分析系统；应变片通过导线与信号调理器连接，信号调理器与应变仪连接，应变仪与数据分析系统连接；数据分析系统与计算机连接。
在一种可能的实施方案中，应变片沿双壁管法兰周向布置在双壁管法兰的锥颈或者双壁管法兰的外壁。
在一种可能的实施方案中，在步骤S4中，试验应力值与理论应力值所对应的加载条件相同。
在一种可能的实施方案中，在步骤S5之后，还包括：
在预设时间段内多次测量双壁管法兰的试验应力值，并利用每一试验应力值对理论应力值进行修正，获取理论应力值的误差分布和置信区间。
与现有技术相比，本申请的有益效果至少如下：
本申请在双壁管设计阶段即可获取双壁管法兰的理论应力值，进而利用理论应力值对双壁管法兰的强度进行分析，并获取双壁管的密封性能，降低双壁管设计工况运行中的双壁管法兰泄漏隐患，为双壁管及船舶安全运行提供指导。同时，本申请采用理论计算和试验两种方式获取双壁管法兰的应力值，并利用试验应力值对理论应力值进行修正，提高理论应力值的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为根据本申请实施例示出的一种双壁管法兰的应力和强度评估方法的示意图；
图2为根据本申请实施例示出的一种双壁管的有限元模型的示意图；
图3为根据本申请实施例示出的一种应力测试系统的布置图；
图4为图3所示的应力测试系统中A区域和B区域的放大图。
图示说明：
1双壁管法兰；2固定约束；3内管；4外管；5内外管弹性支架；6滑动约束；11外管侧法兰；12内管侧法兰；13螺栓孔；14法兰垫片；71温度测量系统；72信号调理器；73应变仪；74数据分析系统；75计算机；76导线；77应变片。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或营业，本申请中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”和“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
双壁管包括内管3、外管4和双壁管法兰1。双壁管法兰1包括外管侧法兰11和内管侧法兰12，外管侧法兰11和内管侧法兰12之间设有法兰垫片14，且外管侧法兰11和内管侧法兰12设有对应的螺栓孔13，通过螺栓即可固定外管侧法兰11和内管侧法兰12。内管3和外管4之间设有内外管弹性支架5，且该内外管弹性支架5过盈安装在内管3和外管4之间；外管4上还设有固定约束2和滑动约束6。
根据本申请的一个方面，提供了一种双壁管法兰的应力和强度评估方法。参见图1，该双壁管法兰的应力和强度评估方法包括以下步骤：
S1：确定双壁管法兰1的许用应力值，以及双壁管的技术参数。双壁管的技术参数包括内管3和外管4的长度、外径、壁厚、材料、许用应力值和壁面粗糙度，以及内管3和外管4的内部流体密度、温度和压力。
S2：创建双壁管的有限元模型，并基于双壁管的热膨胀、热位移和热约束特性对双壁管法兰1进行有限元计算，计算出双壁管法兰1在预设加载条件下的理论应力值。
在一种实施方式中，参见图2，利用CAESAR II管道应力分析软件或者ANSYS有限元计算软件创建双壁管的有限元模型，并在双壁管的有限元模型中依次输入步骤S1中双壁管的技术参数。确定双壁管法兰1在双壁管中的位置，并在有限元模型中设置双壁管法兰1的三维坐标点。基于双壁管的热膨胀、热位移和热约束特性对双壁管法兰1进行有限元计算，计算出双壁管法兰1在预设加载条件下的理论应力值。需要注意的是，在双壁管的设计阶段获取此处的双壁管法兰1的理论应力值。
在一种实施方式中，在步骤S2之前，步骤S1之后，该应力和强度评估方法还包括：对双壁管施加约束；该约束包括固定约束2和滑动约束6。
S3：判断理论应力值是否等于或小于双壁管法兰1的许用应力值的1.2倍；若理论应力值大于许用应力值的1.2倍，则双壁管法兰1的强度不符合要求，调整双壁管法兰1的型号或者双壁管的布局方式，重复步骤S2，直至理论应力值等于或小于许用应力值的1.2倍，双壁管法兰1的强度符合要求。
在一种实施方式中，若理论应力值大于双壁管法兰1的许用应力值的1.2倍，则该双壁管法兰1的强度不符合要求，双壁管法兰1存在泄漏隐患，需重新调整双壁管法兰1的型号或者双壁管的布局方式以使双壁管法兰1的理论应力值等于或小于双壁管法兰1的许用应力值的1.2倍，双壁管法兰1的强度符合要求。例如，将双壁管法兰1调整为材料强度或刚度更好的双壁管法兰；或者，调整双壁管的管道中线，以调整双壁管法兰1的受力，进而调整双壁管法兰1的应力和强度。
调整完成双壁管法兰1的型号或者双壁管的布局方式后，重复步骤S2以获取双壁管法兰1的理论应力值，并判断该理论应力值和强度是否符合要求。若该理论应力值和强度不符合要求，重新调整双壁管法兰1的型号或者双壁管的布局方式，以使双壁管法兰1的理论应力值和强度均符合要求。
S4：在双壁管法兰1的强度符合要求时，测量双壁管法兰1的试验应力值。
在一种实施方式中，参见图3，利用温度测量系统71获取外管4内部流体的温度值。在应力测试系统中输入外管4内部流体的温度值，并利用应力测试系统测量双壁管法兰1的试验应力值。试验应力值与理论应力值所对应的双壁管法兰1的加载条件相同。
应力测试系统包括设在双壁管法兰1上的应变片77、信号调理器72、应变仪73和数据分析系统74。应变片77通过导线76与信号调理器72连接，信号调理器72与应变仪73连接，应变仪73与数据分析系统74连接；数据分析系统74与计算机75连接。应变片77设在双壁管法兰1上，在双壁管法兰1受到一定应力发生应变时，应变片77会随着一起伸缩，其内部电阻会发生变化，即应变片77通过其自身电阻变化来测试双壁管法兰1的应变。应变片77测试的电阻信号传输给信号调理器72，信号调理器72将电阻信号转换为标准信号，并将标准信号传输给应变仪73，即可获取双壁管法兰1的应变值。应变仪73将应变值传输至数据分析系统74，数据分析系统74结合外管4内部流体的温度值，即可计算出双壁管法兰1的试验应力值。
较佳地，参见图4，应变片77沿双壁管法兰1周向布置在双壁管法兰1的锥颈或者双壁管法兰1的外壁。
较佳地，参见图3，外管4上设有旋塞，温度测量系统71设在上述旋塞处。
S5：利用试验应力值对理论应力值进行修正。
在一种实施方式中，在步骤S5之后，该应力和强度评估方法还包括：在预设时间段内多次测量双壁管法兰1的试验应力值，并利用每一试验应力值对理论应力值进行修正，获取理论应力值的误差分布和置信区间。
由以上的技术方案可知，本申请在双壁管设计阶段即可获取双壁管法兰1的理论应力值，进而利用理论应力值对双壁管法兰1的强度进行分析，并获取双壁管的密封性能，降低双壁管设计工况运行中的双壁管法兰1泄漏隐患，为双壁管及船舶安全运行提供指导。同时，本申请采用理论计算和试验两种方式获取双壁管法兰1的应力值，并利用试验应力值对理论应力值进行修正，提高理论应力值的可靠性。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种双壁管法兰的应力和强度评估方法，其特征在于，包括：
S1：确定双壁管法兰的许用应力值，以及双壁管的技术参数；
S2：创建双壁管的有限元模型，并基于所述双壁管的热膨胀、热位移和热约束特性对所述双壁管法兰进行有限元计算，计算出所述双壁管法兰在预设加载条件下的理论应力值；
S3：判断所述理论应力值是否等于或小于所述许用应力值的1.2倍；若所述理论应力值大于所述许用应力值的1.2倍，则所述双壁管法兰的强度不符合要求，调整所述双壁管法兰的型号或者所述双壁管的布局方式，重复步骤S2，直至所述理论应力值等于或小于所述许用应力值的1.2倍，所述双壁管法兰的强度符合要求；
S4：在所述双壁管法兰的强度符合要求时，利用温度测量系统获取外管内部流体的温度值，在应力测试系统中输入所述外管内部流体的温度值，并利用所述应力测试系统测量所述双壁管法兰的试验应力值；
S5：利用所述试验应力值对所述理论应力值进行修正，在预设时间段内多次测量所述双壁管法兰的试验应力值，并利用每一试验应力值对所述理论应力值进行修正，获取所述理论应力值的误差分布和置信区间。
2.根据权利要求1所述的双壁管法兰的应力和强度评估方法，其特征在于，在步骤S2之前，步骤S1之后，还包括：
对所述双壁管施加约束；所述约束包括固定约束和滑动约束。
3.根据权利要求1所述的双壁管法兰的应力和强度评估方法，其特征在于，步骤S2包括：
创建双壁管的有限元模型，并依次输入所述双壁管的技术参数；
确定所述双壁管法兰的位置，并在所述有限元模型中设置所述双壁管法兰的三维坐标点；
基于所述双壁管的热膨胀、热位移和热约束特性对所述双壁管法兰进行有限元计算，计算出所述双壁管法兰在预设加载条件下的理论应力值。
4.根据权利要求1所述的双壁管法兰的应力和强度评估方法，其特征在于，在步骤S2中，利用CAESARII管道应力分析软件或者ANSYS有限元计算软件创建所述双壁管的有限元模型。
5.根据权利要求1所述的双壁管法兰的应力和强度评估方法，其特征在于，所述应力测试系统包括设在所述双壁管法兰上的应变片、信号调理器、应变仪和数据分析系统；所述应变片通过导线与所述信号调理器连接，所述信号调理器与所述应变仪连接，所述应变仪与所述数据分析系统连接；所述数据分析系统与计算机连接。
6.根据权利要求5所述的双壁管法兰的应力和强度评估方法，其特征在于，所述应变片沿所述双壁管法兰周向布置在所述双壁管法兰的锥颈或者所述双壁管法兰的外壁。
7.根据权利要求1所述的双壁管法兰的应力和强度评估方法，其特征在于，在步骤S4中，所述试验应力值与所述理论应力值所对应的加载条件相同。
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