长管拖车气瓶瓶口外螺纹磨损数值分析

摘要

长管拖车是一种气体运输设备，由多个大容积气瓶安装在汽车拖车底盘连接的框架或者将多个大体积气瓶用绑带固定在拖车底盘上，同时将气瓶头部连通用来输送可压缩性气体，气瓶体积大且承压高，运输效率高；可将气体输送到所有通公路的地方，覆盖范围广。近年来，伴随着我国天然气工业的高速发展，长管拖车在我国得到了广泛的应用。在长管拖车定期检验过程中，发现长管拖车气瓶瓶口外螺纹存在磨损现象，螺纹牙磨损严重，为减少经济的损失，常需要重新加工瓶口外螺纹，然而多次加工螺纹易导致瓶口壁厚材料减少，变薄，无法满足规范要求，同时其壁厚无法承受工作载荷而发生泄露，发生事故。
　　本文受国家质检总局科技计划项目（2013QK021）和国家公益性行业（质检）科研专项项目（201210020）的资助，对长管拖车进行了基本阐述，同时应用ANSYS建立长管拖车气瓶有限元模型，计算不同工况下气瓶应力及气瓶瓶口外螺纹应力分布，本文的研究内容与结论如下：
　　（1）建立了带有气瓶瓶口、销钉、支撑钢板及法兰的整体的三维1/4圆轴对称有限元模型，进行了对应的线弹性分析，结果表明：在内压载荷作用下，气瓶瓶口外螺纹首圈啮合螺纹牙根部承受的等效应力是最大的，随着连接螺纹数增加，螺纹等效应力依次降低；在内压、自重与惯性载荷的共同作用下，首圈啮合螺纹等效应力最大，随着连接螺纹增多，螺纹的等效应力逐渐降低；惯性载荷和气瓶自重作用对螺纹的应力作用都很微弱；惯性载荷加剧了两头瓶口外螺纹应力分布的不均匀性，其中前瓶口外螺纹的等效应力比后瓶口外螺纹的等效应力小，当长管拖车不均匀行驶，气瓶后瓶口的螺纹应力最大；气瓶前瓶口螺纹磨损没有后瓶口磨损严重；防转销钉建议采用斜45°插入气瓶与法兰之间，不仅避免气瓶瓶口切削大量材料，而且其受力较好，能够提高气瓶瓶口原料利用率。
　　（2）建立了带有法兰、支撑钢板与气瓶瓶口二维轴对称有限元模型，其中瓶口外螺纹规格采用UN螺纹和G螺纹，进行了弹塑性分析，其结果表明：在受内压载荷下G螺纹首圈受力优于UN螺纹首圈受力；在受惯性载荷与内压载荷共同作用的工况下G螺纹的受力要优于UN螺纹的受力；而在受惯性载荷工况下，UN螺纹受力要优于G螺纹受力。
　　（3）结合工程情况，设计了一种新的长管拖车气瓶瓶口修复方法，延长气瓶使用寿命。具体方法是：剔除瓶口残余磨损螺纹，在瓶口处热套衬环，在衬环上重新加工螺纹来补偿瓶口外螺纹磨损。应用厚壁圆筒弹性力学，证实此修复方法是可行的。应用ANSYS Workbench建立长管拖车气瓶与衬环的有限元模型，进行了带衬环结构气瓶瓶口预应力分析，其结果与理论公式相比较验证了已建立的有限元模型正确性；进行了实际模型与简化模型瓶口等效应力对比分析、带衬环结构气瓶瓶口内压应力分析、套合界面气瓶瓶口外压屈曲分析、套合界面瓶体周向转动分析和套合界面瓶体轴向移动分析，其分析结果表明衬环与长管拖车气瓶瓶口在最小过盈量装配，即可满足安全要求。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 长管拖车简述

1.3 长管拖车应用现分析

1.4长管拖车瓶口螺纹国内外失效研究

1.5 本文研究内容

第二章 长管拖车气瓶瓶口螺纹应力分析

2.1 螺纹破坏的规律

2.2 摩擦定律与滑动摩擦简述

2.3 长管拖车气瓶外螺纹受力有限元分析

2.4 防转销钉不同位置对瓶口强度的有限元分析

2.5 本章小结

第三章 两种外螺纹规格的长管拖车气瓶瓶口应力分析

3.1 UN螺纹受力分析

3.2 G螺纹受力分析

3.3 原UN瓶口径采用G螺纹结构应力分析

3.4 本章小结

第四章 长管拖车气瓶瓶口修复方法分析

4.1 修复方法理论分析

4.2 修复方法有限元分析

4.3 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术成果