趙 磊，莫春立，楊 樨(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

本文采用有限元的方式進(jìn)行球罐試壓過(guò)程模擬，不僅節(jié)省了大量的人力與物力，還大大減少了試驗(yàn)的操作時(shí)間，縮短了球罐的生產(chǎn)周期[1]。

姜兆春等[2]對(duì)多種載荷加載下的不銹鋼球罐進(jìn)行應(yīng)力分析，驗(yàn)證了有限元模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)相符；王永衛(wèi)等[3]對(duì)大型球罐水壓試驗(yàn)進(jìn)行了有限元計(jì)算與實(shí)際測(cè)量，驗(yàn)證了有限元模擬水壓試驗(yàn)過(guò)程的可靠性；陳金梅等[4]對(duì)低壓天然氣球罐模型進(jìn)行了抽樣檢驗(yàn)，驗(yàn)證了對(duì)球罐影響最大的因素是屈服強(qiáng)度與工作壓力；潘新偉等[5]以有限元的方式對(duì)球罐人孔進(jìn)行研究，驗(yàn)證了凸緣新型補(bǔ)強(qiáng)人孔可進(jìn)一步確保球罐在法蘭處的可靠性。

本文以50 m3容量的304不銹鋼異丁烷球罐[6]作為研究對(duì)象，球殼壁厚為14 mm，球罐充裝系數(shù)為0.9，設(shè)計(jì)壓力為0.8 MPa，試驗(yàn)壓力為1 MPa。通過(guò)有限元分析，研究球罐試壓過(guò)程應(yīng)力與球罐結(jié)構(gòu)的關(guān)系[7]，進(jìn)一步的研究是應(yīng)用等效線性法[8]對(duì)球罐試壓過(guò)程模擬的應(yīng)力進(jìn)行分析，以此驗(yàn)證球罐的安全性和可靠性。

1 球罐有限元分析模型

球罐試壓模擬實(shí)驗(yàn)的最終目的是驗(yàn)證球罐在試驗(yàn)壓力下是否安全，主要以應(yīng)力線性化的方式判斷，并分析球罐的應(yīng)力集中區(qū)域以及應(yīng)力的主要類型[9-10]，以便在生產(chǎn)中更加側(cè)重易破損區(qū)域的檢驗(yàn)。

球罐材料為304不銹鋼，其物性參數(shù)由手冊(cè)中查得[11]，如表1所示。

表1 不銹鋼304的物性參數(shù)

在試壓有限元模擬過(guò)程中，要對(duì)球罐進(jìn)行剖分，從而計(jì)算出球罐試壓過(guò)程中的應(yīng)力以及應(yīng)力分布。網(wǎng)格單元類型選用靜力學(xué)六面體單元，并在球殼與人孔法蘭處加大種子密度，剖分后單元總數(shù)為296 712，最小單元尺寸為1.73 mm，最大單元尺寸為34.95 mm。計(jì)算過(guò)程應(yīng)用對(duì)稱面，不僅降低了計(jì)算時(shí)間，還提高了計(jì)算精度[12]。本文主要對(duì)球罐試壓過(guò)程進(jìn)行研究，球罐固定區(qū)域的選定對(duì)有限元模擬結(jié)果的影響較小，故該模型選擇下端法蘭蓋作為固定區(qū)域。圖1是經(jīng)過(guò)剖分的球罐試壓模型。

圖1 剖分后的球罐試壓模型

在模型前處理時(shí)，根據(jù)試壓條件(試驗(yàn)壓力為1 MPa)，在考慮球罐自重的情況下，對(duì)球罐內(nèi)壁進(jìn)行壓力加載，球罐的試驗(yàn)壓力如圖2所示。

圖2 球罐內(nèi)壁的試驗(yàn)壓力

2 球罐有限元計(jì)算結(jié)果與分析

在試壓完全之后，即試驗(yàn)壓力完全加載之后，球罐的應(yīng)力及應(yīng)力分布結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)有限元模擬結(jié)果，可知球罐的應(yīng)力最大區(qū)域?yàn)榍驓づc人孔法蘭的連接處，應(yīng)力最大值為105 MPa，未超過(guò)材料的許用應(yīng)力Sm，即137 MPa，按照壓力容器設(shè)計(jì)的ASME規(guī)則[13]，不是從應(yīng)力的分布評(píng)判球罐的合格，而是應(yīng)用線性應(yīng)力法進(jìn)行分析[14]。

圖3 球罐試壓過(guò)程中的應(yīng)力分布

3 球罐試壓過(guò)程應(yīng)力分析

根據(jù)美國(guó)ASME球形壓力容器設(shè)計(jì)的應(yīng)力分析標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)球罐的應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，以此判斷球罐的安全性能。

分別選擇上、下側(cè)人孔法蘭壁，上、下側(cè)球殼與人孔法蘭連接處以及球殼赤道處位于模型中央的單元進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，根據(jù)應(yīng)力線性化經(jīng)驗(yàn)表[15]可知球殼與人孔法蘭連接處主要受局部薄膜應(yīng)力PL、彎曲應(yīng)力Pb以及峰值應(yīng)力F的影響；人孔法蘭壁處主要受總體薄膜應(yīng)力Pm、局部薄膜應(yīng)力PL、彎曲應(yīng)力Pb以及峰值應(yīng)力F的影響；球殼處主要受總體薄膜應(yīng)力Pm的影響。繪制出各選定區(qū)域的等效應(yīng)力線，分析計(jì)算出的各項(xiàng)應(yīng)力，并對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力校核，表2為應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果。

表2 球罐試壓過(guò)程應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

綜合有限元計(jì)算與球罐試壓過(guò)程應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果可得知，球罐在試壓過(guò)程中各項(xiàng)應(yīng)力在相應(yīng)的應(yīng)力校核值之內(nèi)，表明球罐在試壓過(guò)程中處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文以有限元的方式對(duì)球罐的試壓過(guò)程進(jìn)行了模擬，計(jì)算出了在試壓時(shí)球罐的應(yīng)力及應(yīng)力分布，根據(jù)模擬結(jié)果可知，球罐的最大應(yīng)力點(diǎn)位于球殼與人孔法蘭的連接處。在球罐生產(chǎn)過(guò)程中，若為進(jìn)一步確保球罐的安全性，可采用回轉(zhuǎn)蓋整體鍛件凸緣補(bǔ)強(qiáng)型人孔。

對(duì)球罐各區(qū)域的應(yīng)力進(jìn)行了應(yīng)力線性化處理，處理后得到的各項(xiàng)應(yīng)力值均在允許范圍之內(nèi)，綜合有限元計(jì)算結(jié)果，可以說(shuō)明該球罐在試壓過(guò)程中處于安全狀態(tài)。

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