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(jī)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(duì)鋼制球罐進(jìn)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?cè)茍D，并依據(jù)JB 4732-1995《鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，參照GB12337—1998《鋼制球形儲(chǔ)罐》對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)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(jì)提供了可靠的理論價(jià)值。

鋼制球罐；有限元分析；應(yīng)力分析

目前球形儲(chǔ)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(jì)單位采用有限元分析方法[1]進(jìn)行球形儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)都難以在實(shí)驗(yàn)室完成，而且受試驗(yàn)周期和經(jīng)費(fèi)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(yàn)中存在的問題，減少研制經(jīng)費(fèi)和時(shí)間，具有重要的現(xiàn)實(shí)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(duì)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(chǔ)罐，球殼厚度為38 mm，計(jì)算中考慮了1.5 mm的腐蝕裕量。計(jì)算壓力的選取按照J(rèn)B4732-95規(guī)定，計(jì)算中包括二次應(yīng)力強(qiáng)度的組合應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)，該選用工作載荷進(jìn)行計(jì)算分析。這次分析中均選用了設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于分析結(jié)果是偏于安全的。

因?yàn)樵撉蚬蘧哂邪踩y，需要做氣密試驗(yàn)，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(jì)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(jì)參數(shù)Table1 The basic design parameters of tank

表2 計(jì)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(chǔ)罐由于其結(jié)構(gòu)承載特性,在考慮其載荷作用時(shí),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(dāng)液柱靜壓力超過設(shè)計(jì)壓力的5%時(shí)尚應(yīng)計(jì)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(shí)，考慮到球罐的各種開口接管對(duì)于整體來說影響相對(duì)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(diǎn)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(shí)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(gè)對(duì)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(diǎn)和載荷施加特點(diǎn)，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(biāo)平面（總體笛卡爾坐標(biāo)系，相當(dāng)于球罐對(duì)稱面）：施加對(duì)稱邊界條件。支腿下端，ΔX=ΔY=ΔZ=0（總體笛卡爾坐標(biāo)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(diǎn)三維實(shí)體單元(SOLID95單元)。拉桿采用ANSYS軟件中的2節(jié)點(diǎn)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(yàn)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?cè)粕峡梢钥闯?，?yīng)力強(qiáng)度最大點(diǎn)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(dá)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(dá)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(qiáng)度最大點(diǎn)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(dá)到498.86 MPa；從應(yīng)變?cè)茍D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(dá)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(jì)基準(zhǔn)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(qiáng)度最大點(diǎn)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(dá)到523.22 MPa；從應(yīng)變?cè)茍D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(dá)到10.971mm。

（4） 壓力試驗(yàn)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(qiáng)度最大點(diǎn)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(dá)到709.83 MPa；從應(yīng)變?cè)茍D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(dá)到12.706 mm。

圖5 壓力試驗(yàn)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(duì)球罐模型施加各種工況情況下的約束和載荷后，求解并進(jìn)行結(jié)構(gòu)后處理得到應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D，從圖中可以看出應(yīng)力強(qiáng)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(jì)和優(yōu)化提供較高的參考價(jià)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(jì)算,進(jìn)而采用線性疊加的方法來計(jì)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(jì)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(yàn)載荷。必要情況下尚應(yīng)計(jì)算雪載荷。在計(jì)算各種載荷引起的應(yīng)力時(shí),為了實(shí)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(shí)現(xiàn)疊加。

3 結(jié) 論

通過利用ANSYS12.1有限元軟件對(duì)球罐整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析及強(qiáng)度評(píng)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(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)定。經(jīng)過分析計(jì)算，托板與球殼連接處是高應(yīng)力區(qū)，對(duì)該處結(jié)構(gòu)的優(yōu)化將是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。運(yùn)用ANSYS分析影響球罐應(yīng)力強(qiáng)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(shí)記錄此時(shí)對(duì)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(qiáng)有力的理論依據(jù)。

［1］ JB4732-1995．鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[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(jì)[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，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(dāng)代化工，2014(2)．

［4］ GB150-1998．鋼制壓力容器[S]．

［5］ GB12337-1998．鋼制球形儲(chǔ)罐[S]．

［6］ 梅林濤，楊國(guó)義，壽比南等．球形儲(chǔ)罐應(yīng)力分析及評(píng)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(qiáng)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(diǎn)局部應(yīng)力分析與球罐優(yōu)化設(shè)計(jì)[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(chǔ)罐有限元分析設(shè)計(jì)[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。