張光浩 霍平 陳麗文

摘要：文章對于由支撐式支座小型立式圓柱形儲(chǔ)罐的封頭及支座的受力情況，以低溫液化氣體儲(chǔ)罐為例對外罐下封頭及支座進(jìn)行了靜力、地震載荷及風(fēng)載荷分析，結(jié)果表明：支座與封頭交界的外邊角處及邊界上方的應(yīng)力偏大，在設(shè)計(jì)時(shí)要給予特殊考慮。

關(guān)鍵詞：支撐式支座；儲(chǔ)罐封頭；低溫儲(chǔ)罐；低溫液化氣體

中圖分類號(hào)：TE972 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）29-0036-02

中小型立式低溫儲(chǔ)罐多用于存放低溫液化氣體，由內(nèi)罐和外罐構(gòu)成，內(nèi)罐受內(nèi)壓、外罐受外壓，夾層抽真空，填充粉末絕熱，這類儲(chǔ)罐絕熱效果好、損耗少、可帶壓儲(chǔ)存、減少排放損失、操作費(fèi)用低，因此在各領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，其安全性也越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

本文運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，對低溫液化氣體儲(chǔ)罐外罐下封頭及支座進(jìn)行了靜力、地震載荷及風(fēng)載荷分析。

1 低溫儲(chǔ)罐的基本結(jié)構(gòu)

某低溫液化氣體儲(chǔ)罐總高20m，支座高1m，外罐外徑3.6m，厚度18m，材料為Q235-B；內(nèi)罐外徑3m，厚度10mm，材料為X5CrNi48-10；支座底板長0.35m，寬0.28m，材料為Q235-B。內(nèi)外筒體間設(shè)有拉筋相連，其中空隙填充珠光砂，用于保溫。

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

內(nèi)罐是通過拉筋同外筒體相連，內(nèi)筒及其內(nèi)部液化氣體的質(zhì)量完全作用在外罐壁上，文章分析的是支座及外罐下封頭的受力狀況，因此建模時(shí)將內(nèi)罐及其內(nèi)部液化氣體的質(zhì)量、珠光砂的質(zhì)量均等效到外罐壁上，通過改變外罐壁的密度來實(shí)現(xiàn)質(zhì)量等效。

利用ANSYS數(shù)值分析軟件建立有限元模型，儲(chǔ)罐壁、封頭及支座均選用shell63單元，并忽略開孔接管進(jìn)行適當(dāng)簡化，有限元模型如圖1所示。

2.2 自重（滿罐）靜力分析

圖2給出了滿液自重工況下封頭及支座的應(yīng)力強(qiáng)度云圖，封頭的最大應(yīng)力強(qiáng)度在封頭與支座交界處正上方（記為①點(diǎn)），距離封頭邊緣100mm處（不計(jì)封頭直邊段長度），最大應(yīng)力強(qiáng)度值為106MPa，支座的最大應(yīng)力強(qiáng)度出現(xiàn)在支座與封頭交界的邊角處（記為②點(diǎn)），最大應(yīng)力強(qiáng)度值為97.7MPa。因此在進(jìn)行地震響應(yīng)分析和風(fēng)載荷分析時(shí)著重考慮這兩點(diǎn)的應(yīng)力情況。

2.3 地震載荷下的受力分析

2.4 風(fēng)載荷靜態(tài)分析

對于細(xì)高型的塔器，風(fēng)力計(jì)算時(shí)，高度10m以下的塔設(shè)備，按一段計(jì)算，對于超過10m的塔設(shè)備，以每10m分為一段計(jì)算，設(shè)備中第i段所受的水平風(fēng)力為：

Fi=K1K2ifiq0liDei

式中：

K1—體型系數(shù)，對于細(xì)高罐取0.7

K2i—塔設(shè)備中第i計(jì)算段的風(fēng)振系數(shù)，對于塔高H≤20m的塔設(shè)備取1.7

q0—塔設(shè)備所在地區(qū)的基本風(fēng)壓，按50年一遇取450N/m2

li—各計(jì)算段的計(jì)算高度

Dei—第i段迎風(fēng)面的有效直徑，計(jì)算中取外罐直徑

該低溫儲(chǔ)罐高為20m，分為兩段計(jì)算風(fēng)力，由上式計(jì)算得F1=F2=14265N，在有限元分析中，將水平風(fēng)力以等效壓力的形式作用到迎風(fēng)面罐體上，等效壓力為

N/m2，經(jīng)分析，①點(diǎn)的應(yīng)力為118MPa，②點(diǎn)

的應(yīng)力為114MPa，兩者相差不大。

3 結(jié)語

（1）小型立式圓柱形低溫儲(chǔ)罐下封頭及支座的最大應(yīng)力出現(xiàn)在支座與封頭交界的外邊角處以及邊界上方。

（2）地震情況下，罐體會(huì)由小范圍晃動(dòng)發(fā)展為大范圍晃動(dòng)，①、②兩點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度也隨之增大，均達(dá)到屈服極限，且②點(diǎn)的峰值應(yīng)力增大得較多，更易發(fā)生屈服。

（3）風(fēng)載荷情況下，①、②兩點(diǎn)的應(yīng)力與滿罐自重時(shí)相比增加不大，均滿足強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計(jì)（第三版）

[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

作者簡介：張光浩（1983—），男，河北深州人，河北聯(lián)合大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院助教，碩士，研究方向：壓力容器安全技術(shù)方面的教學(xué)。