梁清香，董雙巧，王 赟(太原科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，太原 030024)

液化石油氣球罐使用數(shù)年之后，常常會(huì)出現(xiàn)大量的裂紋缺陷，對(duì)球罐的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重影響[1]。裂紋缺陷分布在內(nèi)表面、外表面、柱腿以及接管等球罐中典型位置，其中內(nèi)表面裂紋占裂紋總數(shù)的60%.而內(nèi)表面裂紋多產(chǎn)生在內(nèi)表面上下極板、赤道上下環(huán)縫、帶與帶之間的焊縫部位。形狀大都是縱向、橫向裂紋，局部有樹(shù)枝狀、放射狀、星星狀裂紋。其中，橫向環(huán)縫裂紋居多，占球罐內(nèi)表面裂紋總數(shù)的51%[2].長(zhǎng)度在3 mm～20 mm之間，深度在1 mm～10 mm之間。劉文濤、陳冰冰等人對(duì)裂紋缺陷的數(shù)量、位置、尺寸等作了統(tǒng)計(jì)并探討了裂紋的成因[3]。黃齊飛采用磁粉探傷技術(shù)對(duì)1 000 m3液化石油氣球罐進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)，結(jié)合進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果對(duì)球罐橫向裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展原因進(jìn)行了分析[4]。王澤軍和劉宏臣對(duì)1 500 m3液化石油氣球罐的整體應(yīng)力做了研究[5]。

本文應(yīng)用MSC.marc軟件，分析1 000 m3液化石油氣球罐內(nèi)表面的裂紋缺陷對(duì)球罐的強(qiáng)度影響。研究結(jié)果對(duì)在役帶裂紋缺陷的液化石油氣球罐的安全使用和評(píng)定具有實(shí)際意義。

1 1 000 m3液化石油氣球罐幾何參數(shù)

1 000 m3液化石油氣球罐的外形及簡(jiǎn)化處理參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。球罐幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 球罐幾何參數(shù)

簡(jiǎn)化后的模型如圖1所示[6]。其中r1=6 186 mm，r2=6 150 mm，r3=250 mm，r4=250 mm.

圖1 球罐尺寸

2 裂紋尺寸對(duì)球罐的強(qiáng)度影響

建立帶裂紋球罐的有限元模型，討論在球罐內(nèi)表面裂紋位置及長(zhǎng)度改變時(shí)等效應(yīng)力的分布情況。

2.1 橫向裂紋

尺寸：球罐屬于軸對(duì)稱，中心對(duì)稱模型。分別在球罐與Z軸正向成20°-160°，間隔10°的位置創(chuàng)建橫向裂紋，長(zhǎng)度為12 mm，深度為2 mm，寬度為0.1 mm.共建立15個(gè)模型，網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2.

幾何模型建立完成后進(jìn)行加載。加載內(nèi)容包括：1)對(duì)赤道處和上下人孔處施加位移約束，其中施加的約束為各面的法向約束。2)內(nèi)壓為0.77 MPa.3)重力。

加載完成后對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算求解，得到最大等效應(yīng)力數(shù)值[8]。如圖3所示為裂紋位置與Z軸正向成110°的帶裂紋球罐應(yīng)力云圖。裂紋位置不同的最大等效應(yīng)力數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所示。

圖2 球罐網(wǎng)格劃分

圖3 帶裂紋球罐等效應(yīng)力云圖

2.2 縱向裂紋

縱向裂紋的位置與橫向裂紋的位置、大小都相同。共建立15個(gè)模型，得到最大等效應(yīng)力數(shù)值見(jiàn)表2所示。橫向與縱向裂紋最大等效應(yīng)力對(duì)比如圖4所示。

表2 不同位置的最大等效應(yīng)力

圖4橫向與縱向裂紋最大等效應(yīng)力對(duì)比圖

Fig.4Transverseandlongitudinalcracksmaximumstresscomparisonchart

由圖4中可知：

(1)裂紋離上下人孔越近，最大等效應(yīng)力值越小，隨著離上下人孔距離增大而增大，當(dāng)裂紋接近赤道線時(shí)，最大等效應(yīng)力急劇下降，這是由于赤道線附近有支柱(施加了全位移約束)的緣故；

(2)帶橫向裂紋的球罐最大等效應(yīng)力比帶縱向裂紋的球罐大，即橫向裂紋危險(xiǎn)。最大等效應(yīng)力發(fā)生部位是在球罐與Z軸正向成110°處的橫向裂紋。

2.3 橫向不同長(zhǎng)度裂紋

由上面分析可知，位于與Z軸正向成110°處的橫向裂紋，對(duì)球罐的安全使用影響最大，在此位置只改變裂紋長(zhǎng)度，共建立8個(gè)帶裂紋球罐模型，得到最大等效應(yīng)力數(shù)值見(jiàn)表3，裂紋長(zhǎng)度與球罐最大應(yīng)力曲線的關(guān)系曲線如圖5所示。

表3 不同裂紋長(zhǎng)度的最大等效應(yīng)力

圖5裂紋長(zhǎng)度與球罐的最大等效應(yīng)力關(guān)系曲線

Fig.5Thecracklengthandthemaximumequivalentstressofsphericaltankrelationcurves

2.4 橫向不同深度裂紋

對(duì)與Z軸正向成110°處的橫向裂紋，只改變裂紋深度，共建立5個(gè)帶裂紋球罐模型，得到最大等效應(yīng)力數(shù)值見(jiàn)表4，裂紋深度與球罐最大應(yīng)力曲線的關(guān)系曲線如圖6所示。

表4 不同裂紋深度的最大等效應(yīng)力

圖6 裂紋深度與球罐的最大等效應(yīng)力關(guān)系曲線

3 結(jié)論

對(duì)帶裂紋球罐的有限元分析結(jié)果表明：

(1)在設(shè)計(jì)壓力下，橫向裂紋比縱向裂紋對(duì)球罐的影響大；

(2)最危險(xiǎn)的位置位于距球罐與Z軸正方向成110°處的橫向裂紋；

(3)球罐存在橫向裂紋時(shí)，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，等效應(yīng)力越小；深度越深，等效應(yīng)力越大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 紀(jì)宏宸.液化石油氣球罐現(xiàn)場(chǎng)再制造技術(shù)的研究[D].南京：南京工業(yè)大學(xué)，2002.

[2] 費(fèi)東輝.在用球罐的缺陷統(tǒng)計(jì)與分析[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2011.

[3] 劉文濤，陳冰冰，梁力錦，等.在役球罐裂紋缺陷統(tǒng)計(jì)與分析[J].輕工機(jī)械，2012，30(5)：89-93.

[4] 黃齊飛.一臺(tái)1 000 m3液化石油氣球罐的成因分析及裂紋修復(fù)[J].質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究，2010，11(5)：38-41.

[5] 王澤軍，劉宏臣.1 500 m3液化石油氣球罐的強(qiáng)度分析[J].壓力容器，2003，20(6)：33-36.

[6] 董雙巧，梁清香，王赟.液化石油氣球罐裂紋修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)研究[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34(5)：390-393.