姚 進, 劉 峰, 李 航, 王靖元, 李 沖

（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）

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

姚 進1, 劉 峰1, 李 航1, 王靖元2, 李 沖1

（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）

應(yīng)用有限元軟件對鋼制球罐下極板開孔結(jié)構(gòu)進行了組合工況的靜力分析，考慮到下極板的結(jié)構(gòu)特性和承載特性，結(jié)構(gòu)采用 ANSYS 12.1有限元軟件提供的 20節(jié)點稱單元(solid 95)進行建模，施加位移約束和載荷邊界條件之后，得到了其結(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，該球罐的下極板結(jié)構(gòu)是可靠的，為后續(xù)大型結(jié)構(gòu)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

目前，全球球罐技術(shù)都是向著高參數(shù)、大型化的方向發(fā)展的，其大型化可以增大存儲能力，也節(jié)省了其他相關(guān)輔助設(shè)施的費用，同時便于安全管理。近年來，我國球罐的大型化和高參數(shù)化工程技術(shù)水平有了很大程度的進步，通過對從國外引進的球罐的消化、吸收和改進創(chuàng)新，很多大型高參數(shù)球罐已經(jīng)實現(xiàn)了國產(chǎn)化，為我國的經(jīng)濟發(fā)展提供了更高的物質(zhì)和技術(shù)保障。

本問題的ANSYS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)如表1所示。

2 下極板人孔接管結(jié)構(gòu)力學(xué)模型和有限元模型

進行球罐下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)下極板的結(jié)構(gòu)特性和承載特性，采用1/2的力學(xué)模型, 邊界條件和采用單元如下[2]：

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 球罐下極板結(jié)構(gòu)模型Fig.1 The lower plate structure model

圖2 球罐下極板劃分網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh model of lower plate

位移邊界條件：有限元模型中球罐下極板外邊緣施加對無摩擦約束邊界條件,對稱面施加對稱約束。

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]。

3 應(yīng)力分析結(jié)果

對球罐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，為后期的此類型的球罐的設(shè)計和優(yōu)化提供可參考的數(shù)據(jù)資料[3,4]。

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503.18 MPa；試驗工況下[5]，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646.90 MPa。

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

表5 強度評定表Table 5 Intensity assessment form

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。應(yīng)力線性化路徑的選取原則是[6]：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。

表6 強度評定表Table 6 Intensity assessment form

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

（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503 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[7]。

（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646.9 MPa。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[8]，即結(jié)構(gòu)是安全的。

5 結(jié) 論

通過利用ANSYS12.1有限元軟件對球罐下極板開孔結(jié)構(gòu)進行了應(yīng)力分析及強度評定，建立了適用于此次分析的有限元模型，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，分析設(shè)計法是以彈塑性失效準則為理論依據(jù)，允許容器材料局部屈服，以主應(yīng)力差的最大值作為容器發(fā)生垮塌和破壞的依據(jù)，分析設(shè)計更具合理性。

［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］翁劍成，謝煌生，唐慶順，等．ANSYS的1 000 m3球罐應(yīng)力分析和強度評定[J]．龍巖學(xué)院學(xué)報，2013，3(5)：46-49．

［3］步瓊. 15 000 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．

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

YAO Jin1, LIU Feng1, LI Hang1, WANG Jing-yuan2, LI Chong1
（1. School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China; 2. Liaoyang Special Equipment Supervision and Inspection Institute, Liaoning Liaoyang 111000, China)

Static analysis on lower 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 lower 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 lower plate structure of the tank is reliable.

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

TQ 051

A

1671-0460（2014）12-2563-03

2014-05-13

姚進（1989-），男，遼寧葫蘆島人，碩士研究生，研究方向：石油化工設(shè)備的安全評價結(jié)構(gòu)完整性及災(zāi)難預(yù)防。E-mail：346167388@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。