2 000 m3大型鋼制球罐的應(yīng)力分析

李建奎，劉 峰，劉 娟，付路路

2 000 m3大型鋼制球罐的應(yīng)力分析

李建奎1，劉 峰1，劉 娟2，付路路2

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113000； 2. 山東華魯恒升化工股份公司, 山東 德州 253024）

應(yīng)用有限元軟件對鋼制球罐進行了靜載應(yīng)力分析，施加位移約束和靜載荷之后，得到了球罐整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及應(yīng)變云圖，并依據(jù)JB 4732-1995《鋼制壓力容器分析設(shè)計標準》，參照GB12337—1998《鋼制球形儲罐》對其進行了強度評定，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)是可靠的。分析出的數(shù)據(jù)庫為以后球罐的優(yōu)化設(shè)計提供了可靠的理論價值。

鋼制球罐；有限元分析；應(yīng)力分析

目前球形儲罐的參數(shù)已向著大型化發(fā)展，材料的用量越來越大,在結(jié)構(gòu)、載荷上的要求提高，現(xiàn)在有很多家設(shè)計單位采用有限元分析方法[1]進行球形儲罐的設(shè)計及校正。球罐的容量大，一直承受高壓、低循環(huán)疲勞載荷，又受結(jié)構(gòu)和自重的限制，故障不容易監(jiān)控，一些實驗都難以在實驗室完成，而且受試驗周期和經(jīng)費的限制。有限元分析法（ANSYS）是一種應(yīng)用較廣泛的分析軟件，使用有限元分析軟件可以有效地解決試驗中存在的問題，減少研制經(jīng)費和時間，具有重要的現(xiàn)實意義和發(fā)展前景[2]。有限元法（ANSYS）是一種應(yīng)用廣泛的通用工程分析軟件。它有功能完備的預(yù)處理器、加載求解和后處理器。在主菜單中分別對應(yīng)Preprocessor、Solution、General Postproc、TimeHist Postpro[3]。

1 球罐有關(guān)參數(shù)

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的腐蝕裕量。計算壓力的選取按照JB4732-95規(guī)定，計算中包括二次應(yīng)力強度的組合應(yīng)力強度時，該選用工作載荷進行計算分析。這次分析中均選用了設(shè)計載荷進行計算，對于分析結(jié)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(jù)TSGR0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)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[4,5]。球罐的具體參數(shù)如表1-4所示。

表1 球罐的基本設(shè)計參數(shù)Table1 The basic design parameters of tank

表2 計算條件Table 2 Calculation conditions

表3 材料性能數(shù)據(jù)Table 3 Material performance data

表4 載荷工況Table 4 Load case

2 有限元分析模型

球形儲罐由于其結(jié)構(gòu)承載特性,在考慮其載荷作用時,不僅要考慮內(nèi)壓等的面力作用而且應(yīng)考慮重力等體力的影響。完整的球罐分析應(yīng)考慮以下載荷:

（1）壓力,當液柱靜壓力超過設(shè)計壓力的5%時尚應(yīng)計及液柱靜壓；

（2）球罐殼體自重；

（3）風(fēng)載；

（4）地震的體力作用,包括水平地震力和垂直地震力,一般情況下只考慮水平地震力的作用。

在構(gòu)建整體球形貯罐的模型時，考慮到球罐的各種開口接管對于整體來說影響相對較小，從整體角度其影響作用只是局部的,加之整體分析重點考查在各種載荷下支柱與球罐相接部位的應(yīng)力狀況,因此在構(gòu)建整體分析模型時可將各種接管忽略。在構(gòu)建模型的規(guī)模上，綜合考慮幾何結(jié)構(gòu)特征及承載特性，從工程處理問題角度總可以找出一個對稱面,因此在球罐的應(yīng)力分析中取一半來構(gòu)建模型[6]。

2.1 球罐整體結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)球罐整體結(jié)構(gòu)特點和載荷施加特點，取球罐的1/2構(gòu)建有限元模型。邊界條件和所用單元如下：

位移邊界條件：在XY坐標平面（總體笛卡爾坐標系，相當于球罐對稱面）：施加對稱邊界條件。支腿下端，ΔX=ΔY=ΔZ=0（總體笛卡爾坐標系）；

有限單元選擇：球罐本體及支柱結(jié)構(gòu)采用ANSYS軟件中的20節(jié)點三維實體單元(SOLID95單元)。拉桿采用ANSYS軟件中的2節(jié)點三維桿單元（LINK10單元）。

球罐整體結(jié)構(gòu)和劃分網(wǎng)格圖形如圖1所示。

2.2 應(yīng)力與應(yīng)變分析結(jié)果

本文考慮施加載荷的工況為(載荷邊界條件)：自重+內(nèi)壓、自重+內(nèi)壓+風(fēng)載、自重+內(nèi)壓+25%風(fēng)載+地震、壓力試驗四種載荷工況[7]。

圖1 球罐整體結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分模型Fig.1 The overall model structure and mesh model of the tank

（1）自重+內(nèi)壓工況：重力加速度g=9.81 m/s2，P=2.18 MPa，介質(zhì)液柱靜壓力=0.055 421 MPa；如圖2中應(yīng)力及應(yīng)變云上可以看出，應(yīng)力強度最大點位于球殼外壁，支柱托板與球殼相接的下部邊緣處，最大值達到480.79 MPa；應(yīng)變最大區(qū)域位于球罐下半球部分，最大值可達到8.223 7 mm。

圖2 自重+內(nèi)壓工況下的應(yīng)力及應(yīng)變結(jié)果圖Fig.2 The stress and strain results under its own weight and internal pressure conditions

（2） 自重+內(nèi)壓+風(fēng)載工況：重力加速度g=9.81 m/s2，P=2.18 MPa，介質(zhì)液柱靜壓力=0.055 421 MPa，基本風(fēng)壓400 Pa；

如圖3所示，應(yīng)力強度最大點位于球殼外壁，支柱托板與球殼相接的下部邊緣處，最大值達到498.86 MPa；從應(yīng)變云圖可以看出，應(yīng)變最大區(qū)域位于球罐下半球部分，最大值可達到9.143 9 mm。

圖3 自重+內(nèi)壓+風(fēng)載工況下的應(yīng)力及應(yīng)變結(jié)果圖Fig.3 The stress and strain results under its own weight, internal pressure and wind load conditions

（3）自重+內(nèi)壓+25%風(fēng)載+地震工況：重力加速度g=9.81 m/s2，P=2.18 MPa，基本風(fēng)壓400 Pa，根據(jù)JB/T4710—2005《鋼制塔式容器》規(guī)定[8]，50年設(shè)計基準期超越概 10%的地震加速度取值A(chǔ)MAX=0.063 g，地震影響系數(shù)最大值αmax=0.04，地震最大水平方向加速度a=Cz，αg=0.176 58 m/s2。

圖4 自重+內(nèi)壓+25%風(fēng)載+地震工況下的應(yīng)力及應(yīng)變結(jié)果圖Fig.4 The stress and strain results under its own weight, internal pressure, 25% of wind load and seismic conditions

如圖4所示，應(yīng)力強度最大點位于球殼外壁，支柱托板與球殼相接的下部邊緣處，最大值達到523.22 MPa；從應(yīng)變云圖可以看出，應(yīng)變最大區(qū)域位于球罐側(cè)部分，最大值可達到10.971mm。

（4） 壓力試驗工況：重力加速度g=9.81 m/s，P=2.725 MPa，基本風(fēng)壓400 Pa；水液柱靜壓力0.154 MPa。

如圖5所示，應(yīng)力強度最大點位于球殼外壁，支柱托板與球殼相接的下部邊緣處，最大值達到709.83 MPa；從應(yīng)變云圖可以看出，應(yīng)變最大區(qū)域位于球罐下半球部分，最大值可達到12.706 mm。

圖5 壓力試驗工況下的應(yīng)力及應(yīng)變結(jié)果圖Fig.5 The stress and strain results under pressure test conditions

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(jié)構(gòu)后處理得到應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖，從圖中可以看出應(yīng)力強度的最大值以及出現(xiàn)的位置[9]，為后期的此類型的球罐的設(shè)計和優(yōu)化提供較高的參考價值。

由于工程分析中采用彈性分析來處理具體問題,因此在球罐應(yīng)力分析中各種載荷引起的應(yīng)力就可以分別計算,進而采用線性疊加的方法來計算各種載荷組合工況下的應(yīng)力。通常情況下,在球罐分析中應(yīng)分別計算以下各種載荷引起的應(yīng)力:(1)自重載荷；(2)內(nèi)壓載荷；(3)風(fēng)載荷；(4)地震載荷；(5)壓力試驗載荷。必要情況下尚應(yīng)計算雪載荷。在計算各種載荷引起的應(yīng)力時,為了實現(xiàn)載荷組合,必須注意有限元分析模型應(yīng)完全一致,否則無法實現(xiàn)疊加。

3 結(jié) 論

通過利用ANSYS12.1有限元軟件對球罐整體結(jié)構(gòu)進行了應(yīng)力分析及強度評定[10]。構(gòu)建了適用于球罐分析的有限元模型，通過后處理得到了應(yīng)力分布變化圖，并根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果對其進行了強度評定。經(jīng)過分析計算，托板與球殼連接處是高應(yīng)力區(qū)，對該處結(jié)構(gòu)的優(yōu)化將是設(shè)計的重點。運用ANSYS分析影響球罐應(yīng)力強度的各種因素，包括自重、內(nèi)壓、風(fēng)載、地震、壓力及本文未提及的雪載等，這些因素取不同值時記錄此時對應(yīng)球罐的應(yīng)力分布，然后建立一定的數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)大型球罐優(yōu)化問題的研究提供了強有力的理論依據(jù)。

［1］ JB4732-1995．鋼制壓力容器分析設(shè)計標準[S]．

［2］ 倪向貴，李新亮，張廣明,等．鋼制球罐有限元疲勞分析設(shè)計[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2008，38(2)：220-224．

［3］ 王榮榮，付路路,等．基于ANSYS的圓柱銷裝配預(yù)應(yīng)力受力分析[J].當代化工，2014(2)．

［4］ GB150-1998．鋼制壓力容器[S]．

［5］ GB12337-1998．鋼制球形儲罐[S]．

［6］ 梅林濤，楊國義，壽比南等．球形儲罐應(yīng)力分析及評定[J]. 壓力容器，2002，19(7)：15-17．

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

［8］ JB/T 4710—2005．鋼制塔式容器[S]．

［9］ 劉明福．a(chǎn)點局部應(yīng)力分析與球罐優(yōu)化設(shè)計[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù)，2006，27(1)：6-8．

［10］ 宋鵬．大型液化氣球形儲罐有限元分析設(shè)計[D].大連：大連理工大學(xué)，2009，38(2)：220-224．

Stress Analysis of 2000m3Large Steel Storage Tank

LI Jian-kui1，LIU Feng1，LIU Juan2，F(xiàn)U Lu-lu2
（1. School of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113000，China；2. Shandong Huaneng Power Chemical Corporation, Shandong Dezhou 253024，China）

The static load stress analysis of steel storage tank was carried out with the finite element software, the cloud of stress and strain overall structure of the tank were obtained after applying static load and displacement constraints, and the strength assessment was carried out according to JB 4732-1995steel pressure vessel analysis and design standardsand GB12337-1998steel spherical tanks. The results show that the overall structure of the tank is reliable. The available databases provide reliable academic value for the optimization and design of the subsequent large tank.

Steel tank；Finite element analysis；Stress analysis

TQ 052

A

1671-0460（2015）04-0852-03

2014-12-12

李建奎（1988-），男，河南周口人，碩士，研究方向：故障診斷與分析。E-mail：ljk_sunflower@163.com。

劉峰（1971-），男，教授，博士，研究方向：材料的力學(xué)性能、材料分析技術(shù)、金屬疲勞與斷裂。