2 000 m3大型鋼制球罐下極板開孔結構的應力強度評定

姚 進, 劉 峰, 李 航, 王靖元, 李 沖

（1. 遼寧石油化工大學機械工程學院，遼寧 撫順 113001; 2. 遼陽市特種設備監督檢驗所，遼寧 遼陽111000）

2 000 m3大型鋼制球罐下極板開孔結構的應力強度評定

姚 進1, 劉 峰1, 李 航1, 王靖元2, 李 沖1

（1. 遼寧石油化工大學機械工程學院，遼寧 撫順 113001; 2. 遼陽市特種設備監督檢驗所，遼寧 遼陽111000）

應用有限元軟件對鋼制球罐下極板開孔結構進行了組合工況的靜力分析，考慮到下極板的結構特性和承載特性，結構采用 ANSYS 12.1有限元軟件提供的 20節點稱單元(solid 95)進行建模，施加位移約束和載荷邊界條件之后，得到了其結構的應力及應變云圖，并依據JB 4732-1995《鋼制壓力容器分析設計標準》，參照GB12337—1998《鋼制球形儲罐》對其進行了強度評定。計算結果表明，該球罐的下極板結構是可靠的，為后續大型結構的設計和優化提供了工程實用價值。

鋼制球罐；ANSYS有限元分析；應力強度評定

目前，全球球罐技術都是向著高參數、大型化的方向發展的，其大型化可以增大存儲能力，也節省了其他相關輔助設施的費用，同時便于安全管理。近年來，我國球罐的大型化和高參數化工程技術水平有了很大程度的進步，通過對從國外引進的球罐的消化、吸收和改進創新，很多大型高參數球罐已經實現了國產化，為我國的經濟發展提供了更高的物質和技術保障。

本問題的ANSYS求解過程具體主要包括[1]：建立工作文件名和文件標題，定義分析模塊，定義單元類型和材料屬性，創建幾何模型，劃分網格，施加位移約束和載荷邊界條件，應力分析，劃分路徑進行強度評定。

1 計算模型數據

該球罐為 2 000 m3乙烯儲罐，球殼厚度為 38 mm，計算中考慮了1.5 mm的腐蝕欲量。計算壓力的選取按照 JB4732-95的規定，在計算中包括二次應力強度的組合應力強度時，應選用工作載荷進行計算。本次分析中均選用了設計載荷進行計算，這對于分析結果是偏于安全的。

因為該球罐具有安全閥，需要做氣密試驗，根據TSGR0004-2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》的要求，最大允許操作壓力定為2.18 MPa，本次分析中計算壓力采取最大允許操作壓力。球罐的具體參數如表1所示。

2 下極板人孔接管結構力學模型和有限元模型

進行球罐下極板和人孔及接管局部結構有限元分析時考慮到自重、風壓和地震載荷對分析結果影響甚微，此次分析在建立相應有限元模型時不考慮風壓和地震載荷的影響。根據下極板的結構特性和承載特性，采用1/2的力學模型, 邊界條件和采用單元如下[2]：

表1 球罐的基本設計參數Table 1 The basic design parameters of tank

表2 計算條件Table 2 Calculation conditions

表3 材料性能數據Table 3 Material performance data

表4 分析結構和載荷工況Table 4 the analysis structure and load case

圖1 球罐下極板結構模型Fig.1 The lower plate structure model

圖2 球罐下極板劃分網格模型Fig.2 Mesh model of lower plate

位移邊界條件：有限元模型中球罐下極板外邊緣施加對無摩擦約束邊界條件,對稱面施加對稱約束。

有限單元選擇：結構采用 ANSYS 12.1有限元軟件提供的 20節點稱單元(solid 95)。

載荷邊界條件：殼體內壓和液柱靜壓力見具體工況，人孔接管邊緣加邊界等效壓力。

球罐上極板人孔接管結構和劃分網格圖形如圖1和2所示[3]。

3 應力分析結果

對球罐模型施加各種工況情況下的約束和載荷后，求解并進行結構后處理得到應力和應變云圖，從圖中可以看出應力強度的最大值以及出現的位置，為后期的此類型的球罐的設計和優化提供可參考的數據資料[3,4]。

從應力云圖可以看出，設計工況下，應力強度最大點位于接管與球殼內壁連接內拐角處，最大值達到503.18 MPa；試驗工況下[5]，應力強度最大點位于接管與球殼內壁連接內拐角處，最大值達到646.90 MPa。

圖3 應力分析結果-設計工況Fig.3 Stress analysis-design conditions

表5 強度評定表Table 5 Intensity assessment form

4 應力強度評定

本 論 文 依 據 JB4732-1995， 并 參 照GB12337-1998進行強度評定。應力線性化路徑的選取原則是[6]：通過應力強度最大節點并沿壁厚方向的最短方向設定應力線性化路徑；對于相對高應力強度區沿壁厚方向設定路徑。本文列出了應力強度最大的路徑并進行分析。

表6 強度評定表Table 6 Intensity assessment form

圖4 應力分析結果-試驗工況Fig.4 Stress analysis-test conditions

（1）設計工況

應力強度最大點位于接管與球殼內壁連接內拐角處，最大應力強度為503 MPa。路徑選取應力最大點和危險位置及球殼壁厚方向，強度評定具體如表5所示[7]。

（2）試驗工況

應力強度最大點位于接管與球殼內壁連接內拐角處，最大應力強度為646.9 MPa。強度評定具體如表6所示。

綜上所述，各路徑的強度評定結果通過[8]，即結構是安全的。

5 結 論

通過利用ANSYS12.1有限元軟件對球罐下極板開孔結構進行了應力分析及強度評定，建立了適用于此次分析的有限元模型，通過后處理得到了應力分布變化圖，并根據應力分析結果對其進行了強度評定。與常規設計方法相比，分析設計法是以彈塑性失效準則為理論依據，允許容器材料局部屈服，以主應力差的最大值作為容器發生垮塌和破壞的依據，分析設計更具合理性。

［1］余偉煒，高炳軍．ANSYS在機械與化工裝備中的應用[M]．北京：中國水利水電出版社，2007: 209-300．

［2］翁劍成，謝煌生，唐慶順，等．ANSYS的1 000 m3球罐應力分析和強度評定[J]．龍巖學院學報，2013，3(5)：46-49．

［3］步瓊. 15 000 m3大型球罐設計與支柱應力分析[D].大慶：東北石油大學，2012.

［4］GB150-1998，鋼制壓力容器[S]．

［5］JB4732-1995，鋼制壓力容器分析設計標準[S]．

［6］GB12337-1998，鋼制球形儲罐[S]．

［7］劉明福．局部應力分析與球罐優化設計[J]．石油化工設備技術，2006，27(1)：6-8．

［8］王永衛．球罐支柱與球殼連接處強度的有限元分析[J]．石油化工設備，2007，6(36)：21-24．

Stress Intensity Evaluation on the Bottom Plate Hole Structure of Large Steel Tank With 2000 m3

YAO Jin1, LIU Feng1, LI Hang1, WANG Jing-yuan2, LI Chong1
（1. School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China; 2. Liaoyang Special Equipment Supervision and Inspection Institute, Liaoning Liaoyang 111000, China)

Static analysis on lower plate hole of large steel tank under two kinds of working conditions was carried out with the finite element software. Considering the structural properties and bearing characteristics of the lower plate, model of the structure was established by 20-nodes elements (SOLID 95) of ANSYS 12.1 software. After applying displacement constraints and load boundary conditions, the cloud pictures of stress and strain were obtained. And the strength assessment was carried out according to JB 4732-1995 steel pressure vessel analysis and design standards and reference GB12337-1998 steel spherical tanks. The results show that the lower plate structure of the tank is reliable.

Steel tank; Finite element analysis of ANSYS; Stress intensity evaluation

TQ 051

A

1671-0460（2014）12-2563-03

2014-05-13

姚進（1989-），男，遼寧葫蘆島人，碩士研究生，研究方向：石油化工設備的安全評價結構完整性及災難預防。E-mail：346167388@qq.com。

劉峰（1971-），男，教授，研究方向：材料疲勞與斷裂、腐蝕與防護技術。E-mail: Liuf20000@163.com。