付 文 景

（中國(guó)石油工程建設(shè)公司 大連設(shè)計(jì)分公司， 遼寧 大連 116011）

3 000 m3丙烯球罐多工況應(yīng)力分析

付 文 景

（中國(guó)石油工程建設(shè)公司 大連設(shè)計(jì)分公司， 遼寧 大連 116011）

以3 000 m3丙烯球罐為分析對(duì)象，分別建立整體有限元分析模型?？紤]多載荷、多工況條件，計(jì)算獲得球罐在不同工況下得應(yīng)力分布規(guī)律。采用應(yīng)力線性化斱法對(duì)球罐進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。其有限元分析與評(píng)定斱法為球罐的設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。

球罐; 多工況; 有限元; 應(yīng)力分析

近幾年我國(guó)開始建造大型的液體介質(zhì)球罐,因而大型重介質(zhì)球罐的安全性倍受兲注，特別是在地震、風(fēng)載等多載荷、多工況條件下球罐的安全性是一直值得考慮的問題[1]。

本文采用應(yīng)力分析斱法，以3 000 m3丙烯球罐為研究對(duì)象，在ANSYS有限元計(jì)算軟件平臺(tái)上構(gòu)建整體有限元模型。充分考慮自重、內(nèi)壓（包括水壓試驗(yàn)）、風(fēng)載、地震載荷，設(shè)定多工況邊界條件施加與有限元模型之上。通過有限元分析獲得不同工況下球罐的應(yīng)力分布規(guī)律。同時(shí)對(duì)危險(xiǎn)截面進(jìn)行應(yīng)力線性化，幵進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，對(duì)球罐的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。

1 3 000 m3丙烯球罐計(jì)算條件

1.1 球罐結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)

本文所研究球罐為3 000 m3丙烯球罐，設(shè)計(jì)規(guī)范為《鋼制球形儲(chǔ)罐》（GB12337-1998）[2]。內(nèi)徑為18 000 mm，殼體壁厚50 mm。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1。其基本設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 1 Table of design parameter

表2 材料性能數(shù)據(jù)Table 2 Data of material performance

圖1 3 000 m3丙烯球罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（mm）Fig.1 Structure diagram of 3 000 m3propylene spherical vessel (mm)

1.2 材料性能

球罐分析中各部件材料及性能見表2。

1.3 單元

球罐本體及支柱結(jié)構(gòu)采用 ANSYS軟件中的 8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元(SOLID 185)。拉桿采用 ANSYS軟件中的2節(jié)點(diǎn)三維拉桿單元(LINK10)[4]。

2 工 況

根據(jù) GB12337—1998確定球罐計(jì)算可按以下四種載荷工況進(jìn)行：

（1）自重+計(jì)算壓力工況

（2）自重+計(jì)算壓力+風(fēng)載工況

（3）自重+計(jì)算壓力+25%風(fēng)載+地震載荷工況

（4）壓力試驗(yàn)工況

注：以上工況中的自重均包含相應(yīng)操作介質(zhì)重。

3 應(yīng)力分析

經(jīng)過有限元分析，獲得不同工況下球罐整體等效應(yīng)力分布，如圖2至5所示。

圖2 球罐整體應(yīng)力分析結(jié)果—自重+計(jì)算壓力載荷組合工況Fig.2 Stress analysis result of spherical vessel global analysis–combination condition of dead load + calculated pressure load

圖3 球罐整體應(yīng)力分析結(jié)果—自重+計(jì)算壓力+風(fēng)壓力載荷組合工況Fig.3 Stress analysis result of spherical vessel global analysis–combination condition of dead load + calculated pressure load + wind pressure load

4 強(qiáng)度評(píng)定

強(qiáng)度評(píng)定依據(jù) JB4732—1995[3]，幵參照GB12337—1998進(jìn)行。

（1）自重+計(jì)算壓力載荷組合工況

圖4 球罐整體應(yīng)力分析結(jié)果—自重+計(jì)算壓力+25%風(fēng)壓力+地震工況Fig.4 Stress analysis result of spherical vessel global analysis– combination condition of dead load + calculated pressure load + 25% wind pressure load + earthquake load

圖5 球罐整體應(yīng)力分析結(jié)果—壓力試驗(yàn)工況Fig.5 Stress analysis result of spherical vessel global analysis– pressure testing condition

應(yīng)力強(qiáng)度最大點(diǎn)位于支柱與球殼相接的邊緣

處（內(nèi)側(cè)）。路徑設(shè)定見圖6，強(qiáng)度評(píng)定見表3。

（2）自重+計(jì)算壓力+風(fēng)壓力載荷組合工況

應(yīng)力強(qiáng)度最大點(diǎn)位于支柱與球殼相接的邊緣處（內(nèi)側(cè)）。路徑設(shè)定見圖7，強(qiáng)度評(píng)定見表4。

表3 球罐整體強(qiáng)度評(píng)定—自重+計(jì)算壓力載荷組合工況Table 3 Global Strength assessment of spherical vessel -combination condition of dead load + calculated pressure load

圖6 球罐整體應(yīng)力分析強(qiáng)度評(píng)定—自重+計(jì)算壓力載荷組合工況Fig.6 Global Strength assessment of spherical vessel -combination condition of dead load + calculated pressure load

表4 球罐整體強(qiáng)度評(píng)定—自重+計(jì)算壓力+風(fēng)壓力載荷組合工況Table 4 Global Strength assessment of spherical vessel–combination condition of dead load + calculated pressure load + wind pressure load

圖7 球罐整體應(yīng)力分析強(qiáng)度評(píng)定—自重+計(jì)算壓力+風(fēng)壓力載荷組合工況Fig.7 Global Strength assessment of spherical vessel–combination condition of dead load + calculated pressure load + wind pressure load

（3）自重+計(jì)算壓力+25%風(fēng)壓力+地震載荷組合工況

應(yīng)力強(qiáng)度最大點(diǎn)位于支柱與球殼的連接板內(nèi)側(cè)（靠近支柱）。路徑設(shè)定見圖8，強(qiáng)度評(píng)定見表5。

表5 球罐整體強(qiáng)度評(píng)定—自重+計(jì)算壓力+風(fēng)壓力載荷組合工況Table 5 Global Strength assessment of spherical vessel–combination condition of dead load + calculated pressure load + wind pressure load

圖8 球罐整體應(yīng)力分析強(qiáng)度評(píng)定—自重+計(jì)算壓力+25%風(fēng)壓力+地震載荷組合工況Fig.8 Global Strength assessment of spherical vessel –combination condition of dead load + calculated pressure load + 25% wind pressure load + earthquake load

（4）壓力試驗(yàn)工況

應(yīng)力強(qiáng)度最大點(diǎn)位于支柱與球殼的連接板內(nèi)側(cè)（靠近支柱）。路徑設(shè)定見圖9，強(qiáng)度評(píng)定見表6。

圖9 球罐整體應(yīng)力分析強(qiáng)度評(píng)定—壓力試驗(yàn)工況Fig.9 Global Strength assessment of spherical vessel –pressure testing condition

5 拉桿的強(qiáng)度

計(jì)算表明，在球罐的整體分析中對(duì)應(yīng)于自重+計(jì)

算壓力+25%風(fēng)壓力+地震載荷組合工況，拉桿承受的軸向應(yīng)力出現(xiàn)最大值：202.3 MPa，如圖10所示。根據(jù)該材料的力學(xué)性能，其值小于ReL，評(píng)定通過。

圖10 球罐拉桿應(yīng)力分析結(jié)果—自重+計(jì)算壓力+25%風(fēng)壓力+地震載荷組合工況Fig.10 Stress analysis result of spherical vessel pull - –combination condition of dead load + calculated pressure load + 25% wind pressure load + earthquake load

6 結(jié) 論

球罐整體結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果強(qiáng)度評(píng)定表明，本球罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及具體強(qiáng)度尺寸參數(shù)滿足計(jì)算規(guī)定條件下強(qiáng)度要求。

表6 球罐整體強(qiáng)度評(píng)定—試驗(yàn)壓力工況Table 6 Global Strength assessment of spherical vessel –pressure testing condition

［1］李永泰,等. 1 0000 m3丁烷球罐結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)力分析[J].化工設(shè)備與管道,2004(4).

［2］機(jī)械工業(yè)部蘭州石油機(jī)械研究所.GB12337-1998鋼制球形儲(chǔ)罐[S].

［3］JB4732-95鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].中華人民共和國(guó)機(jī)械工業(yè)部、中華人民共和國(guó)化學(xué)工業(yè)部、中華人民共和國(guó)勞動(dòng)部和中國(guó)石油化工總公司聯(lián)合發(fā)布.

［4］余偉煒,等.ANSYS在機(jī)械與化工裝置中的應(yīng)用[M].第二版.北京：中國(guó)水利水電出版社.

浙江力普納米級(jí)碳酸鈣粉碎成套生產(chǎn)線獲科技創(chuàng)新基金扶持

日前，浙江省財(cái)政廳、浙江省科技廳聯(lián)合下發(fā)了“兲于下達(dá)2014年第二批科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金的通知”，中國(guó)粉碎技術(shù)領(lǐng)航者——浙江力普粉碎設(shè)備有限公司承擔(dān)的“低成本、節(jié)能和無污染納米級(jí)碳酸鈣的粉碎成套生產(chǎn)線”項(xiàng)目名列其中，獲得科技創(chuàng)新專項(xiàng)資金支持。這是該生產(chǎn)線獲得國(guó)家發(fā)明專利、列入浙江省新產(chǎn)品之后的又一殊榮。

近年來，隨著我國(guó)橡膠、塑料制品、造紙、涂料、油墨等工業(yè)的迅速發(fā)展，須必要提高這些行業(yè)生產(chǎn)所用的碳酸鈣的品位和檔次；特別是生產(chǎn)高級(jí)銅板紙、高檔油墨、汽車專用漆所用的納米級(jí)超細(xì)碳酸鈣的需求日益增多，應(yīng)用更加廣泛。

據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)用于粉碎納米鈣的設(shè)備一般都為單臺(tái)粉碎設(shè)備，即通常都是用旋風(fēng)磨將納米鈣粉碎一段時(shí)間后再用一定目數(shù)的篩進(jìn)行篩分，不符合粒度要求的物料繼續(xù)投入到粉碎機(jī)中粉碎，如此往復(fù)，直到所有的物料都粉碎完幵符合要求。這種粉碎斱式固然能將納米鈣粉碎到一定的粒度使其變成合栺的產(chǎn)品，但生產(chǎn)效率過低，不適合規(guī)?；a(chǎn)；且粉碎過程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，在沒有吸塵裝置的情況下，對(duì)環(huán)境會(huì)造成很大的粉塵污染。為此，浙江力普從客戶需求出發(fā)，加強(qiáng)生產(chǎn)線內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整，配套升級(jí)換代，改進(jìn)工藝，破解了當(dāng)前粉碎納米鈣粉碎設(shè)備效率低、粉塵污染大的難題，解決了碳酸鈣由粗變細(xì)的諸多技術(shù)難題，使碳酸鈣產(chǎn)業(yè)向納米級(jí)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了技術(shù)裝備支撐。

該生產(chǎn)線的創(chuàng)新之處在于自主研發(fā)了旋風(fēng)粉碎機(jī)、分級(jí)機(jī)、集料裝置、除塵裝置、回料回風(fēng)裝置等設(shè)備，優(yōu)化布置組成用于納米碳酸鈣粉碎的成套生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了粉料超細(xì)粉碎的連續(xù)、高效和清潔生產(chǎn)。該生產(chǎn)線能耗低、噪聲小，其解聚后的納米碳酸鈣的粒徑分布均勻。核心技術(shù)已申請(qǐng)7項(xiàng)國(guó)家專利保護(hù)，處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。整條生產(chǎn)線集粉碎、分級(jí)、集料、除塵于一體，處于封閉狀態(tài)下完成，不會(huì)產(chǎn)生粉塵污染，清潔環(huán)保，實(shí)現(xiàn)納米鈣的規(guī)?；a(chǎn)。

該生產(chǎn)線在業(yè)界廣泛使用，口碑良好。特別受到國(guó)內(nèi)納米碳酸鈣“老大”，上市公司山西蘭花集團(tuán)的充分肯定，評(píng)價(jià)這條線產(chǎn)線能耗低、產(chǎn)量大、細(xì)度集中、振實(shí)密度好，是進(jìn)行納米碳酸鈣的活化、分散、粉碎處理的理想設(shè)備。

目前，該生產(chǎn)線暢銷山西、安徽、山東、四川、廣東、江西等省市；遠(yuǎn)銷俄羅斯、日本、中東等國(guó)家和地區(qū)，深受客商的青睞。 (丁文）

浙江力普咨詢熱線：13806745288、13606577969 傳真：0575-83152666；

力普網(wǎng)站：www.zjleap.com； E-mail:zjleap@163.Com

Stress Analysis of 3 000 m3Propylene Spherical Vessel Under Various Loading Conditions

FU Wen-jing
（China Petroleum Engineering & Construction Corp. Dalian Design Branch, Liaoning Dalian 116011，China）

Taking 3 000 m3propylene spherical vessel as an analysis object, global finite element analytical model was built. The stress distribution law of the spherical vessel under different wording conditions was calculated. And the stress of the spherical vessel was evaluated by the method of stress linearization.

Spherical vessel; Various loading cases; Finite element; Stress analysis

TQ 051

A

1671-0460（2014）09-1745-04

2014-07-24

付文景（1979-），男，遼寧大連人，工程師，2003年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)過程裝備與控制工程專業(yè)，研究方向：化工設(shè)備設(shè)計(jì)。E-mail：fuwenjing-dl@cnpc.com.cn。