低温BOG压缩机气缸螺栓预紧研究

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液化天然气 (LNG)在运输及卸载时，储罐内LNG体积的变化以及外界能量的输入，使储罐内汽化产生大量的闪蒸气 (Boil-of Gas，BOG)[1l，这些闪蒸气如果得不到及时的处理 ，将会导致储罐内压力升高，这在生产上是十分危险的。目前工业上常采用直接输出工艺或再冷凝输出工艺处理 BOG[21，无论哪种方案 ，都需要对 BOG进行增压。因此，BOG压缩机是液化天然气 (LNG)运输和接受系统中的关键设备。

由于BOG的温度低至-162℃，低温进气后压收稿 日期：2012-04-13缩导致 BOG压缩机工作在超大温差下。在超大温差下工作的压缩机螺栓预紧力矩的设计不能简单照搬常温下的设计经验 ，而 目前国内还没有相关标准。因此 ，大温差下螺栓预紧力矩的研究是非常必要的。

本文采用有限元方法进行螺栓预紧的模拟，预紧力的大小需要试龋最终预紧力值的确定需要遵循 3个准则：分离准则、强度准则和疲劳准则 [31，即：既要保证螺栓连接结构工作时各结合面不松开，又要保证螺栓连接结构工作时各相关零件不损坏，同时保证连接螺栓有足够的疲劳寿命。

本文分析对象是某 LNG接收站 BOG压缩机的2012年 O6期(总第236期)设计研究Design&Research- 级气缸的缸盖螺栓。其气缸直径为 690 mm，行程为 250 mm，气缸螺栓为 M36，圆周排列 24个。

该压缩机的-级进气 (绝对)压力 0.O1 MPa，排气压力为 0.45 MPa，稳定运行下的气缸与缸盖平均温差为 2O c。

气缸 、缸盖以及螺栓均采用奥氏体不锈钢材料。材料属性如表 l所示。

表 1 奥氏体不锈钢的材料属性弹性模量 泊松比 密度 热膨胀系数 导热系数 比热容(Pa) (kg·m- ) (1·℃ ) (W·In- ·℃- ) (J·kg- ·oC ]1.95×10 0.3 8000 1.65×10 14 3502 螺栓连接的有限元模拟2.1物理模型该压缩机气缸的结构复杂 ，带有吸排气阀 、进排气腔等▲行有限元分析时，完全按照实际结构建模 ，则局部网格划分困难且没有必要，在不影响计算精度的情况下，本文在不考虑吸排气孔口对螺栓受力影响的前提下，将气缸简化为圆筒结构 ，这样螺栓连接的总体结构 (螺栓、缸盖、气缸)可以认为是圆周对称结构，所以根据螺栓个数 24取整个结构的 1/24来构造模型，模型包角为15。，包含-个螺栓连接。划分网格如图 1所示。

2.2 边界条件及载荷的施加- 般来说，在有限元结构分析中很难真实反映螺纹连接作用。相接触的 2个螺纹面在预紧力的作用下紧贴在-起 ，它们有相同的位移 ，所 以节点耦合能模拟螺纹副的连接机理。把螺纹部分的连接关系简化为轴孔配合关系，轴孔接触面为螺纹连接段 ，用节点耦合来模拟螺纹副的连接作用 t5]。而气缸和缸盖结合面采用标准接触 (stan-dard contact)模拟。

总体结构的剖切面按圆周对称约束条件处理 ，并约束气缸下端面的轴向位移。首先进行温度场分析，然后将热单元转化为结构单元分析应力及变形。

关于载荷的施加 ，由于气体压力最大仅为0.45 MPa，初步估算就会发现，相对于预紧载荷和温度载荷 ，气体压力引起 的应力变化是很小的 ，因此可以不必考虑交变的气体压力引起的疲劳问题。另外 ，已有研究表明，BOG压缩机稳定运行-2012年O6期(总第 236期)后气缸表面温度波动很小，所以也不用考虑温度波动引起的温度疲劳应力，总之可认为均符合疲劳准则。因此只需进行静态应力分析即可。

唧 嘲 ' -图 1 螺栓连接的实际结构和简化网格模型结构计算时，需要 4个载荷步。 (1)用 AN-SYS的 PRETS179预紧单元模拟施加螺栓预紧力100 kN，并计算预紧力单独作用的结果，作为结构的初始状态；(2)该载荷步用于锁定预紧截面位移，即模拟真实预紧过程 中的锁定缩短的螺栓有效长度；(3)施加压缩腔内部的压力载荷 O.45 MPa，计算预紧力和压力载荷联合作用时的结果； (4)施加热分析获得的内外温差为 20℃的温度场，计算预紧力、压力载荷、温度场联合作用下的结果。

2.3计算结果及分析仅有预紧力作用时，计算结果如图 2所示。

(a)图为气缸和缸盖结合面处的接触应力图，图中颜色越偏浅色表征此处接触压力越大，结合越紧密 ；反之 ，越偏深色的区域接触压力越小 ，密封性越差∩以看到预紧力施加后，结合面接触状态 良好 ，最大接触应力出现在螺纹孔周围，复合实际情况。 (b)图为螺栓等效应力分布图，可以看到螺栓最大应力为 166 MPa，出现在螺柱与螺母啮合的根部，且螺栓与气缸螺纹孔啮合的第-道螺纹处应力也较大。

这是因为内压值相对于预紧力 比较小，因此其引起的应力变化不大。如图 3所示。

如图 4所示温度场的施加则引起了比较大的螺栓应力 ，由图 5可以看到，最大应力达到 174MPa。另外 ，靠近气缸内侧接触面的接触应力明显变小，这是因为在高达 2O℃的内外温差下，气缸和缸盖的内表面比外表面冷缩的更加厉害，因而内侧有分离趋势，外侧有挤压趋势，如图7所示，由此导致靠近气缸 内侧的接触面应力变小甚至为零。由此可以看到，大温差的工作条件对连接结