低溫液化氣體儲罐封頭及支座的有限元分析

張光浩 霍平 陳麗文

摘要：文章對于由支撐式支座小型立式圓柱形儲罐的封頭及支座的受力情況，以低溫液化氣體儲罐為例對外罐下封頭及支座進行了靜力、地震載荷及風載荷分析，結果表明：支座與封頭交界的外邊角處及邊界上方的應力偏大，在設計時要給予特殊考慮。

關鍵詞：支撐式支座；儲罐封頭；低溫儲罐；低溫液化氣體

中圖分類號：TE972 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）29-0036-02

中小型立式低溫儲罐多用于存放低溫液化氣體，由內罐和外罐構成，內罐受內壓、外罐受外壓，夾層抽真空，填充粉末絕熱，這類儲罐絕熱效果好、損耗少、可帶壓儲存、減少排放損失、操作費用低，因此在各領域中的應用越來越廣泛，其安全性也越來越受到國內外學者的關注。

本文運用ANSYS有限元分析軟件，對低溫液化氣體儲罐外罐下封頭及支座進行了靜力、地震載荷及風載荷分析。

1 低溫儲罐的基本結構

某低溫液化氣體儲罐總高20m，支座高1m，外罐外徑3.6m，厚度18m，材料為Q235-B；內罐外徑3m，厚度10mm，材料為X5CrNi48-10；支座底板長0.35m，寬0.28m，材料為Q235-B。內外筒體間設有拉筋相連，其中空隙填充珠光砂，用于保溫。

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

內罐是通過拉筋同外筒體相連，內筒及其內部液化氣體的質量完全作用在外罐壁上，文章分析的是支座及外罐下封頭的受力狀況，因此建模時將內罐及其內部液化氣體的質量、珠光砂的質量均等效到外罐壁上，通過改變外罐壁的密度來實現質量等效。

利用ANSYS數值分析軟件建立有限元模型，儲罐壁、封頭及支座均選用shell63單元，并忽略開孔接管進行適當簡化，有限元模型如圖1所示。

2.2 自重（滿罐）靜力分析

圖2給出了滿液自重工況下封頭及支座的應力強度云圖，封頭的最大應力強度在封頭與支座交界處正上方（記為①點），距離封頭邊緣100mm處（不計封頭直邊段長度），最大應力強度值為106MPa，支座的最大應力強度出現在支座與封頭交界的邊角處（記為②點），最大應力強度值為97.7MPa。因此在進行地震響應分析和風載荷分析時著重考慮這兩點的應力情況。

2.3 地震載荷下的受力分析

2.4 風載荷靜態分析

對于細高型的塔器，風力計算時，高度10m以下的塔設備，按一段計算，對于超過10m的塔設備，以每10m分為一段計算，設備中第i段所受的水平風力為：

Fi=K1K2ifiq0liDei

式中：

K1—體型系數，對于細高罐取0.7

K2i—塔設備中第i計算段的風振系數，對于塔高H≤20m的塔設備取1.7

q0—塔設備所在地區的基本風壓，按50年一遇取450N/m2

li—各計算段的計算高度

Dei—第i段迎風面的有效直徑，計算中取外罐直徑

該低溫儲罐高為20m，分為兩段計算風力，由上式計算得F1=F2=14265N，在有限元分析中，將水平風力以等效壓力的形式作用到迎風面罐體上，等效壓力為

N/m2，經分析，①點的應力為118MPa，②點

的應力為114MPa，兩者相差不大。

3 結語

（1）小型立式圓柱形低溫儲罐下封頭及支座的最大應力出現在支座與封頭交界的外邊角處以及邊界上方。

（2）地震情況下，罐體會由小范圍晃動發展為大范圍晃動，①、②兩點的應力強度也隨之增大，均達到屈服極限，且②點的峰值應力增大得較多，更易發生屈服。

（3）風載荷情況下，①、②兩點的應力與滿罐自重時相比增加不大，均滿足強度要求。

參考文獻

[1] 鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設備設計（第三版）

[M].北京：化學工業出版社，2010.

作者簡介：張光浩（1983—），男，河北深州人，河北聯合大學機械工程學院助教，碩士，研究方向：壓力容器安全技術方面的教學。