CN113128000B - 双壁管法兰的受力和刚度评估方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种双壁管法兰的受力和刚度评估方法，包括：获取双壁管法兰在不同加载条件下的理论受力值；判断理论受力值是否等于或大于法兰垫片的最小压紧力值；在理论受力值等于或大于最小压紧力值时，双壁管法兰的刚度符合要求；理论受力值小于最小压紧力值时，双壁管法兰的刚度不符合要求；在双壁管法兰的刚度符合要求时，获取双壁管法兰在不同加载条件下的试验受力值；同一加载条件下，利用试验受力值对理论受力值进行修正。本申请通过比较双壁管法兰的理论受力值和法兰垫片的最小压紧力值，在双壁管设计阶段即可对双壁管法兰进行受力和刚度分析，进而获取双壁管的密封性能，为船舶安全运行提供指导。

Description

双壁管法兰的受力和刚度评估方法

技术领域

本申请涉及双壁管计算技术领域，尤其涉及一种双壁管法兰的受力和刚度评估方法。

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，其刚度直接影响双壁管的密封性能，尤其是当应力等强度参数满足安全要求时，其刚度不一定符合安全要求。双壁管法兰的刚度受运行条件影响较大，需进一步校核不同运行条件下双壁管法兰的刚度以防泄漏发生。双壁管法兰的刚度与双壁管法兰的受力有关，为了保证双壁管具有良好的密封性能，有必要对不同运行条件下双壁管法兰的受力和刚度进行评估，但是，并没有针对双壁管法兰的合理的受力和刚度评估方法。

发明内容

本申请的目的是提供一种双壁管法兰的受力和刚度评估方法，其在双壁管设计阶段即可对双壁管法兰进行理论受力和刚度分析，进而获取双壁管的密封性能，为船舶安全运行提供指导。

第一方面，本申请实施例提供一种双壁管法兰的受力和刚度评估方法，包括：

获取双壁管法兰的理论受力值：获取双壁管法兰在不同加载条件下的理论应力值；根据理论应力值计算双壁管法兰在不同加载条件下的理论受力值；

对双壁管法兰进行受力和刚度分析：判断理论受力值是否等于或大于法兰垫片的最小压紧力值；在理论受力值等于或大于最小压紧力值时，双壁管法兰的刚度符合要求；在理论受力值小于最小压紧力值时，双壁管法兰的刚度不符合要求；

获取双壁管法兰的试验受力值：在双壁管法兰的刚度符合要求时，获取双壁管法兰在不同加载条件下的试验应力值；根据试验应力值计算双壁管法兰在不同加载条件下的试验受力值；

对理论受力值进行修正：同一加载条件下，利用试验受力值对理论受力值进行修正。

在一种可能的实施方案中，获取双壁管法兰在不同加载条件下的理论应力值包括：

确定双壁管的技术参数；

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；

对双壁管法兰进行有限元计算，计算出双壁管法兰在不同加载条件下的理论应力值。

在一种可能的实施方案中，在获取双壁管法兰在不同加载条件下的理论应力值之前，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，不同加载条件下双壁管法兰的理论应力值采用热态仿真分析方法或者冷态仿真分析方法计算得到。

在一种可能的实施方案中，根据理论应力值计算双壁管法兰在不同加载条件下的理论受力值的步骤中，根据下列公式计算双壁管法兰在不同加载条件下的理论受力值；

T＝YS

其中，T为双壁管法兰的受力值，Y为双壁管法兰的应力值，S为法兰垫片的有效接触面积。

在一种可能的实施方案中，在获取双壁管法兰的试验受力值之前，双壁管法兰的刚度不符合要求之后，还包括：

调整双壁管法兰的型号或者双壁管的布局方式，重复步骤获取双壁管法兰的理论受力值和步骤对双壁管法兰进行受力和刚度分析，直至双壁管法兰的刚度符合要求。

在一种可能的实施方案中，获取双壁管法兰在不同加载条件下的试验应力值包括：

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在不同加载条件下的试验应力值。

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，在对理论受力值进行修正之后，还包括：

根据修正后的理论受力值对加载条件的危险程度分级，并确定出最危险加载条件；

根据最危险加载条件调整双壁管法兰或者双壁管的布局方式，以使在最危险加载条件下双壁管法兰的理论受力值仍等于或大于最小压紧力值。

与现有技术相比，本申请的有益效果至少如下：

1)本申请通过比较双壁管法兰的理论受力值和法兰垫片的最小压紧力值，在双壁管设计阶段即可对双壁管法兰进行受力和刚度分析，进而获取双壁管的密封性能，降低双壁管多工况运行过程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受力值，并利用试验受力值对理论受力值进行修正，提高理论受力值的可靠性。

2)本申请根据修正后的理论受力值对加载条件的危险程度分级，确定出最危险加载条件，并根据该最危险加载条件优化双壁管法兰或者双壁管的布局方式，以使在最危险加载条件下双壁管法兰的理论受力值仍等于或大于最小压紧力值，双壁管法兰的刚度符合要求。

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的有限元模型的示意图；

图2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3为图2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以及双壁管法兰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受力和刚度评估方法。该双壁管法兰的受力和刚度评估方法包括以下步骤：

S1：获取双壁管法兰1的理论受力值。获取双壁管法兰1在不同加载条件下的理论应力值；根据理论应力值计算双壁管法兰1在不同加载条件下的理论受力值。

在一种实施方式中，参见图1，获取双壁管法兰1在不同加载条件下的理论应力值包括以下步骤：

确定双壁管的技术参数。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。

创建双壁管的有限元模型，并依次输入双壁管的技术参数。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双壁管的上述技术参数。

确定双壁管法兰1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。

采用热态仿真分析方法或者冷态仿真分析方法对双壁管法兰1进行有限元计算，计算出双壁管法兰1在不同加载条件下的理论应力值。上述加载条件包括操作荷载条件、持续荷载条件和膨胀荷载条件，且不同加载条件之间的分析方法可相同，也可不同。例如，所有加载条件下双壁管法兰1的理论应力值均可选用热态仿真分析方法计算得到。或者，部分加载条件下双壁管法兰1的理论应力值可选用热态仿真分析方法计算得到。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，在获取双壁管法兰1在不同加载条件下的理论应力值之前，该受力和刚度评估方法还包括：对双壁管施加约束；该约束包括固定约束2和滑动约束6。

在一种实施方式中，根据理论应力值计算双壁管法兰1在不同加载条件下的理论受力值的步骤中，根据公式(1)计算双壁管法兰1在不同加载条件下的理论受力值；

T＝YS公式(1)

其中，T为双壁管法兰1的受力值，Y为双壁管法兰1的应力值，S为法兰垫片14的有效接触面积，该有效接触面积S可通过实际测量得到。

S2：对双壁管法兰1进行受力和刚度分析。判断双壁管法兰1的理论受力值是否等于或大于法兰垫片14的最小压紧力值；在双壁管法兰1的理论受力值等于或大于法兰垫片14的最小压紧力值时，双壁管法兰1的刚度符合要求；在双壁管法兰1的理论受力值小于法兰垫片14的最小压紧力值时，双壁管法兰1的刚度不符合要求。

在一种实施方式中，在双壁管法兰1的理论受力值小于法兰垫片14的最小压紧力值时，双壁管法兰1的刚度不符合要求，该双壁管法兰1存在泄漏隐患，后续需调整双壁管法兰1的型号或者双壁管的布局方式以使双壁管法兰1的刚度符合要求。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的刚度。

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S1和步骤S2，判断双壁管法兰1的刚度是否符合要求。若双壁管法兰1的刚度不符合要求，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的刚度符合要求。

S3：获取双壁管法兰1的试验受力值。在双壁管法兰1的刚度符合要求时，获取双壁管法兰1在不同加载条件下的试验应力值；在同一加载条件下，采用公式(1)并根据双壁管法兰1的试验应力值计算双壁管法兰1在不同加载条件下的试验受力值。

在一种实施方式中，参见图2，获取双壁管法兰1在不同加载条件下的试验应力值包括以下步骤：

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在不同加载条件下的试验应力值。其中，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3，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2，外管4上设有旋塞，温度测量系统71设在上述旋塞处。

S4：对理论受力值进行修正。同一加载条件下，利用试验受力值对理论受力值进行修正。

在一种实施方式中，在步骤S4之后，该受力和刚度评估方法还包括：

根据修正后的理论受力值对加载条件的危险程度分级，并确定出最危险加载条件；

根据最危险加载条件调整双壁管法兰1的型号或者双壁管的布局方式，以使在最危险加载条件下双壁管法兰1的理论受力值仍等于或大于最小压紧力值。

由以上的技术方案可知，本申请通过比较双壁管法兰1的理论受力值和法兰垫片14的最小压紧力值，在双壁管设计阶段即可对双壁管法兰1进行受力和刚度分析，进而获取双壁管的密封性能，降低双壁管多工况运行过程中的双壁管法兰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的受力值，并利用试验受力值对理论受力值进行修正，提高理论受力值的可靠性。

进一步地，根据修正后的理论受力值对加载条件的危险程度分级，确定出最危险加载条件，并根据该最危险加载条件优化双壁管法兰1或者双壁管的布局方式，以使在最危险加载条件下双壁管法兰1的理论受力值仍等于或大于最小压紧力值，双壁管法兰1的刚度符合要求。

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 (10)

1.一种双壁管法兰的受力和刚度评估方法，其特征在于，包括：

获取双壁管法兰的理论受力值：获取所述双壁管法兰在不同加载条件下的理论应力值；根据所述理论应力值计算所述双壁管法兰在不同加载条件下的理论受力值；

对双壁管法兰进行受力和刚度分析：判断所述理论受力值是否等于或大于法兰垫片的最小压紧力值；在所述理论受力值等于或大于所述最小压紧力值时，所述双壁管法兰的刚度符合要求；在所述理论受力值小于所述最小压紧力值时，所述双壁管法兰的刚度不符合要求；

获取双壁管法兰的试验受力值：在所述双壁管法兰的刚度符合要求时，获取所述双壁管法兰在不同加载条件下的试验应力值；根据所述试验应力值计算所述双壁管法兰在不同加载条件下的试验受力值；

对理论受力值进行修正：同一加载条件下，利用所述试验受力值对所述理论受力值进行修正。

2.根据权利要求1所述的双壁管法兰的受力和刚度评估方法，其特征在于，所述获取双壁管法兰在不同加载条件下的理论应力值包括：

确定双壁管的技术参数；

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；

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不同加载条件下的理论应力值。

3.根据权利要求2所述的双壁管法兰的受力和刚度评估方法，其特征在于，在所述获取双壁管法兰在不同加载条件下的理论应力值之前，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。

4.根据权利要求2所述的双壁管法兰的受力和刚度评估方法，其特征在于，不同加载条件下所述双壁管法兰的理论应力值采用热态仿真分析方法或者冷态仿真分析方法计算得到。

5.根据权利要求1所述的双壁管法兰的受力和刚度评估方法，其特征在于，所述根据理论应力值计算所述双壁管法兰在不同加载条件下的理论受力值的步骤中，根据下列公式计算所述双壁管法兰在不同加载条件下的理论受力值；

T＝YS

其中，T为所述双壁管法兰的受力值，Y为所述双壁管法兰的应力值，S为所述法兰垫片的有效接触面积。

6.根据权利要求1所述的双壁管法兰的受力和刚度评估方法，其特征在于，在所述获取双壁管法兰的试验受力值之前，所述双壁管法兰的刚度不符合要求之后，还包括：

调整所述双壁管法兰的型号或者所述双壁管的布局方式，重复所述步骤获取双壁管法兰的理论受力值和所述步骤对双壁管法兰进行受力和刚度分析，直至所述双壁管法兰的刚度符合要求。

7.根据权利要求1所述的双壁管法兰的受力和刚度评估方法，其特征在于，所述获取双壁管法兰在不同加载条件下的试验应力值包括：

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在不同加载条件下的试验应力值。

8.根据权利要求7所述的双壁管法兰的受力和刚度评估方法，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。

9.根据权利要求8所述的双壁管法兰的受力和刚度评估方法，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。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的双壁管法兰的受力和刚度评估方法，其特征在于，在所述对理论受力值进行修正之后，还包括：

根据修正后的理论受力值对所述加载条件的危险程度分级，并确定出最危险加载条件；

根据所述最危险加载条件调整所述双壁管法兰的型号或者所述双壁管的布局方式，以使在最危险加载条件下所述双壁管法兰的理论受力值仍等于或大于所述最小压紧力值。

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