大型空氣球罐開孔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評(píng)定及疲勞分析

馬 濤，舒安慶，丁克勤

1. 武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2. 中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013

球罐為大容量、承壓的球形儲(chǔ)存容器，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金等行業(yè)，可以用作液化石油氣、液化天然氣、液氧等介質(zhì)的儲(chǔ)存容器［1-3］。大型空氣球罐一般具有多個(gè)開孔結(jié)構(gòu)，開孔處往往是球罐的薄弱環(huán)節(jié)，同時(shí)開孔接管厚度、開孔直徑、開孔數(shù)量及開孔位置均能影響球罐的抗失穩(wěn)能力［4］。使得開孔結(jié)構(gòu)薄弱節(jié)點(diǎn)易出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展，當(dāng)球罐內(nèi)壓力稍有波動(dòng)便造成低應(yīng)力的脆性斷裂，引發(fā)泄漏、爆炸等事故，進(jìn)而造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)、企業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來(lái)?yè)p失和危害［5］。

針對(duì)具體結(jié)構(gòu)，本文通過(guò)有限元軟件對(duì)上、下極開孔結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工況分析中得出各孔的應(yīng)力分析狀況，選取危險(xiǎn)截面，定義出危險(xiǎn)路徑，通過(guò)靜力強(qiáng)度分析，得出相應(yīng)應(yīng)力幅，從而進(jìn)行開孔結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定和疲勞分析。這為球罐的安全運(yùn)行提供了有效保證，而且為找出大型空氣球罐結(jié)構(gòu)疲勞薄弱部位，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制定結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測(cè)方案提供參考［6］。

1 球罐開孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)條件及工況

以2 000 m2大型空氣球罐為例，對(duì)球罐開孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜應(yīng)力分析。球罐開孔結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示，結(jié)構(gòu)和工況分析的條件如表2 所示。

表1 球罐開孔結(jié)構(gòu)基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of spherical tank with opening structure

表2 結(jié)構(gòu)和工況分析條件Tab.2 Structure and operating condition analysis

2 球罐開孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定及疲勞分析

2.1 球罐開孔簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型

在對(duì)空氣球罐上、下極板開孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算時(shí)，需要建立球罐整體結(jié)構(gòu)模型，球罐模型如圖1（a）所示。……