李 航, 劉 峰, 姚 進, 王靖元, 劉晶潔

（1. 遼寧石油化工大學(xué)機械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001; 2. 遼陽市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所，遼寧 遼陽 111000; 3. 遼河油田公司特種油開發(fā)公司，遼寧 遼陽 124010）

2 000 m3大型鋼制球罐上極板開孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強度評定

李 航1, 劉 峰1, 姚 進1, 王靖元2, 劉晶潔3

（1. 遼寧石油化工大學(xué)機械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001; 2. 遼陽市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所，遼寧 遼陽 111000; 3. 遼河油田公司特種油開發(fā)公司，遼寧 遼陽 124010）

應(yīng)用有限元軟件對鋼制球罐的上極板進行了兩種工況下的分析，考慮到上極板的結(jié)構(gòu)特性和承載特性，結(jié)構(gòu)采用 ANSYS 12.1有限元軟件中提供的 20節(jié)點單元(solid 95)進行建模，施加位移約束和載荷邊界條件之后，得到了球罐上極板開孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及應(yīng)變云圖，并依據(jù)JB 4732-1995《鋼制壓力容器分析設(shè)計標準》，參照GB12337—1998《鋼制球形儲罐》對其進行了強度評定。計算結(jié)果表明，該球罐的上極板結(jié)構(gòu)是可靠的，為后續(xù)大型球罐的設(shè)計和優(yōu)化提供了工程實用價值。

鋼制球罐；ANSYS有限元分析；應(yīng)力強度評定

對于大型球罐，在結(jié)構(gòu)的連接處會產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，在其設(shè)計計算時，必須對其進行應(yīng)力校核，采用公式計算時，由于連接處的受力分析并不十分嚴密，應(yīng)力最大點的選擇也有一定的主觀性，因此本文采用基于塑性失效準則的分析設(shè)計方法，找出最大應(yīng)力點并求得量化值，然后進行評定，以便使設(shè)計更加的合理。

本問題求解過程具體主要包括[1]：建立工作文件名和文件標題，定義分析模塊，定義單元類型和材料屬性，創(chuàng)建幾何模型，劃分網(wǎng)格，施加位移約束和載荷邊界條件，應(yīng)力分析，劃分路徑進行強度評定。

1 計算模型數(shù)據(jù)

該球罐為 2 000 m3乙烯儲罐，球殼厚度為 38 mm，計算中考慮了1.5 mm的腐蝕欲量。計算壓力的選取按照 JB4732-95的規(guī)定，在計算中包括二次應(yīng)力強度的組合應(yīng)力強度時，應(yīng)選用工作載荷進行計算。本次分析中均選用了設(shè)計載荷進行計算，這對于分析結(jié)果是偏于安全的。

因為該球罐具有安全閥，需要做氣密試驗，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，本次分析中計算壓力采取最大允許操作壓力。球罐的具體參數(shù)等如表1-4所示。

2 上極板人孔接管結(jié)構(gòu)力學(xué)模型和有限元模型

進行球罐上極板和人孔及接管局部結(jié)構(gòu)有限元分析時考慮到自重、風(fēng)壓和地震載荷對分析結(jié)果影響甚微，此次分析在建立相應(yīng)有限元模型時不考慮風(fēng)壓和地震載荷的影響。根據(jù)上極板的結(jié)構(gòu)特性和承載特性，采用的力學(xué)模型,邊界條件和采用單元如下[2]：位移邊界條件：有限元模型中球罐上極板外邊緣施加對無摩擦約束邊界條件。

有限單元選擇：結(jié)構(gòu)采用 ANSYS 12.1有限元軟件提供的 20節(jié)點稱單元(solid 95)。

載荷邊界條件：殼體內(nèi)壓和液柱靜壓力見具體工況，人孔接管邊緣施加邊界等效壓力。

球罐上極板人孔接管結(jié)構(gòu)和劃分網(wǎng)格圖形如圖1和2所示[3]。

表1 球罐的基本設(shè)計參數(shù)Table 1 The basic design parameters of tank

表2 計算條件Table 2 Calculation conditions

表3 材料性能數(shù)據(jù)Table 3 Material performance data

表4 分析結(jié)構(gòu)和載荷工況Table 4 The analysis structure and load case

圖1 球罐上極板結(jié)構(gòu)模型Fig.1 The upper plate structure model

圖2 球罐上極板劃分網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh model of upper plate

3 應(yīng)力分析結(jié)果

對上極板模型施加各種工況情況下的約束和載荷后，求解并進行結(jié)構(gòu)后處理得到應(yīng)力和應(yīng)變云圖，從圖3、4中可以看出應(yīng)力強度的最大值以及出現(xiàn)的位置，為后期的此類型的結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化提供可參考性的數(shù)據(jù)資料[4-6]。

圖3 應(yīng)力分析結(jié)果-設(shè)計工況Fig. 3 Stress analysis-design conditions

從應(yīng)力云圖可以看出，設(shè)計工況下，應(yīng)力強度最大點位于接管與球殼內(nèi)壁連接內(nèi)拐角處，最大值達到543.04 MPa；試驗工況下，應(yīng)力強度最大點位于接管與球殼內(nèi)壁連接內(nèi)拐角處，最大值達到678.80 MPa。

圖4 應(yīng)力分析結(jié)果-試驗工況Fig.4 Stress analysis-test conditions

4 應(yīng)力強度評定

本 論 文 依 據(jù) JB4732-1995， 并 參 照GB12337-1998進行強度評定[7]。應(yīng)力線性化路徑的選取原則是：通過應(yīng)力強度最大節(jié)點，并沿壁厚方向的最短方向設(shè)定應(yīng)力線性化路徑；對于相對高應(yīng)力強度區(qū)沿壁厚方向設(shè)定路徑。本文列出了應(yīng)力強度最大的路徑并進行分析。

（1）設(shè)計工況

應(yīng)力強度最大點位于接管與球殼內(nèi)壁連接內(nèi)拐角處，最大應(yīng)力強度為543 MPa。路徑選取應(yīng)力最大點和危險位置及球殼壁厚方向，強度評定具體如表5所示[8]。

表5 強度評定表Table 5 intensity assessment form

（2）試驗工況

應(yīng)力強度最大點位于接管與球殼內(nèi)壁連接內(nèi)拐角處，最大應(yīng)力強度為678.8 MPa。路徑選取應(yīng)力最大點和危險位置及球殼壁厚方向，強度評定具體如表6所示。

綜上所述，各路徑的強度評定結(jié)果通過[9]，即結(jié)構(gòu)是安全的。

5 結(jié) 論

通過利用ANSYS12.1有限元軟件對球罐上極板開孔結(jié)構(gòu)進行了應(yīng)力分析及強度評定，建立了適用于球罐上極板結(jié)構(gòu)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)果對其進行了強度評定。與常規(guī)設(shè)計方法相比，采用分析設(shè)計法可以取更高的許用應(yīng)力強度值，即更高的設(shè)計應(yīng)力強度，由于對各處的應(yīng)力作精確的計算，從而確保了容器使用的安全性。

表6 強度評定表Table 6 Intensity assessment form

［1］余偉煒，高炳軍．ANSYS在機械與化工裝備中的應(yīng)用[M]．北京：中國水利水電出版社，2007:209-300．

［2］趙啟成．1 0000 m3大型球罐的應(yīng)力分析與評定[J]．科技和產(chǎn)業(yè)，2013,13(4)：122-125．

［3］步瓊. 1 5000 m3大型球罐設(shè)計與支柱應(yīng)力分析[D].大慶：東北石油大學(xué)，2012.

［4］GB150-1998，鋼制壓力容器[S]．

［5］JB4732-1995，鋼制壓力容器分析設(shè)計標準[S]．

［6］GB12337-1998，鋼制球形儲罐[S]．

［7］劉明福．局部應(yīng)力分析與球罐優(yōu)化設(shè)計[J]．石油化工設(shè)備技術(shù)，2006，27(1)：6-8．

［8］王永衛(wèi)．球罐支柱與球殼連接處強度的有限元分析[J]．石油化工設(shè)備，2007，6(36)：21-24．

［9］趙石軍．球罐支柱與球殼連接處局部應(yīng)力分析[J]．壓力容器，2000，17(5)：34-35．

Stress Intensity Evaluation on Upper Plate Hole Structure of Large Steel Tank With 2000 m3

LI Hang1，LIU Feng1，YAO Jin1，WANG Jing-yuan2，LIU Jing-jie3
(1. School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China; 2. Liaoyang Special Equipment Supervision and Inspection Institute, Liaoning Liaoyang 111000, China; 3. Liaohe Oilfield Company Special Oil Development Branch, Liaoning Liaoyang 124010, China)

Static analysis on upper plate hole of large steel tank under two kinds of working conditions was carried out with the finite element software. Considering the structural properties and bearing characteristics of the upper plate, model of the structure was established by 20-nodes elements (SOLID 95) of ANSYS 12.1 software. After applying displacement constraints and load boundary conditions, the cloud pictures of stress and strain were obtained. And the strength assessment was carried out according to JB 4732-1995 steel pressure vessel analysis and design standards and reference GB12337-1998 steel spherical tanks. The results show that the upper plate structure of the tank is reliable.

Steel tank; Finite element analysis of ANSYS; Stress intensity evaluation

TQ 051

A

1671-0460（2014）12-2546-03

2014-05-13

李航（1990-），男，遼寧盤錦人，遼寧石油化工大學(xué)碩士研究生，研究方向：石化設(shè)備安全風(fēng)險與評估。E-mail：187043998@qq.com。

劉峰（1971-），男，教授，研究方向：材料疲勞與斷裂、腐蝕與防護技術(shù)。E-mail: Liuf20000@163.com。