基于ANSYS的液化石油氣球罐的應力分析

華 平，胡芳芳

（廣西壯族自治區(qū)特種設備監(jiān)督檢驗院，廣西 南寧530219）

球形容器與其它形狀的壓力容器相比，由于其幾何形狀的中心對稱性，因此受力最均勻。目前，國內(nèi)外主要采用球形儲罐來儲存各種氣體和液化氣體，在石油、化工、冶金和城市燃氣供應等方面得到廣泛使用。在這些球罐中,40%用來儲存液化石油氣(LPG)。液化石油氣屬于有毒易燃物品,在貯存中存在潛在的危險。隨著使用量的增加,誘發(fā)事故的可能性也在增加。因此,球罐的強度也成為設計和檢驗人員特別關注的問題。

本文使用有限元軟件ANSYS就1 000 m3LPG球罐的強度問題進行了分析,目的是求出結(jié)構(gòu)在承受載荷以后內(nèi)應力分布情況,找出最大應力點并求出當量應力值。

1 LPG球罐概況簡介

本文以廣西某能源有限公司1臺1 000 m3液化石油氣球罐為例來進行說明。該臺液化石油氣球罐，由中石油華東勘察設計研究院設計，2004年12月制造，2005年現(xiàn)場組焊安裝完畢并投入使用。2008年9月廣西特種設備監(jiān)督檢驗院對這臺球罐進行首次檢驗，在支柱與球殼板連接角焊縫處發(fā)現(xiàn)多處裂紋，裂紋經(jīng)打磨后消除。2011年9月，廣西特種設備監(jiān)督檢驗院按期對這兩臺球罐再次進行了全面檢驗，發(fā)現(xiàn)支柱與球殼板連接部位角焊縫普遍又有裂紋出現(xiàn)。球罐各參數(shù)如表1和表2所示。

表1 球罐設計及幾何參數(shù)

表2 球罐主要強度參數(shù)

2 模型的建立與求解

2.1 選取有限元模型單元

本文采用ANSYS軟件建立球罐模型，由于罐壁厚度遠遠小于長度和內(nèi)徑，故可以將其視為板殼問題，采用殼單元。ANSYS中的殼單元用來模擬一維尺寸（厚度）遠小于另外兩維尺寸，且沿厚度方向的應力可以忽略的結(jié)構(gòu)。

2.2 建立有限元模型

球罐應力分析模型的選取要考慮產(chǎn)生較高應力的部位，如球罐的大開孔、人孔、球罐與支柱連接處，要分析載荷分布及結(jié)構(gòu)的對稱性。球罐整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文不考慮動載荷的特殊設計，利用球罐靜載荷的對稱性，建立較為簡單的球罐應力分析模型。該球罐有10個支柱，可以截取整個結(jié)構(gòu)的1/20，使模型中包括半個支柱，如圖2和圖3所示。

圖1 球罐結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 球罐模型俯視圖

圖3 球罐模型截取圖

由于ANSYS沒有量綱識別功能，本文在建立模型的過程中，質(zhì)量、長度和時間的單位分別為kg、m和s，輸出結(jié)果的量綱單位是它們的組合。輸入模型的各個幾何參數(shù)后，再創(chuàng)建各種材料，如定義材料的密度、彈性模量、泊松比等量值。

2.3 劃分有限元網(wǎng)格

由于支柱和球殼的結(jié)合處的結(jié)構(gòu)較為復雜，這樣的結(jié)構(gòu)通常都劃分為四面體網(wǎng)格。運用自動網(wǎng)格劃分功能，同時結(jié)合手動網(wǎng)格調(diào)整，得到了如下圖的網(wǎng)格劃分，如圖4和圖5所示。

圖4 模型網(wǎng)格劃分

圖5 球殼與支柱連接處網(wǎng)格放大圖

2.4 組合工況選取

根據(jù)球罐實際承載情況及球罐設計標準要求,并且考慮到本球罐位于廣西，本次分析中忽略掉雪載荷及地震載荷。

在模型構(gòu)建完畢接下來的加載中只考慮以下工況組合：自重+內(nèi)壓力+液注靜壓力+風壓力。

2.5 加載與求解

加載過程按如下步聚進行：

首先，將支柱下端的三個平動自由度和三個轉(zhuǎn)動自由度約束住；其次，在對稱面上施加對稱邊界條件；然后，依次施加自重載荷(通過輸入密度及重力加速度實現(xiàn))、內(nèi)壓力載荷(按設計壓力施加到內(nèi)表面)、液柱靜壓力載荷(通過輸入液體密度 液面高度及相應斜率按梯度施加)、風壓力載荷(平均施加在外表面)。最后，進行求解,可以得到各種應力云圖和位移云圖。如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 位移云圖

圖7 等效應力云圖

圖8 應力集中云圖

3 結(jié)束語

從上面的圖中我們可以得到以下一些信息：

（1）很明顯可以看見在整個球殼上面，球殼與支柱連接的地方有較大的應力出現(xiàn)。

（2）通過等效果應力云圖，可見，支柱與球殼板連接焊縫的最上端出現(xiàn)了最大應力，最大應力達到439 MPa。

（3）通過應力集中云圖，可見應力集中的最大部位也出現(xiàn)在支柱與球殼板連接焊縫的最上端，應力集中最大值達到477 MPa。

（4）支柱與球殼板連接部位是應力集中最大部位，也印證了檢驗過程中該部位角焊縫普遍出現(xiàn)裂紋的誘因。

[1]JB4732-95，鋼制壓力容器一分析設計標準[S].

[2]全國壓力容器標準化技術(shù)委員會.JB 4732-95鋼制壓力容器分析設計標準釋義[M].北京:機械標準出版社，1995.

[3]李景辰，馮鋏中，沈行道，等.壓力容器基礎知識[M].北京:勞動人事出版社，1984.

[4]陳紅軍，王呼加.ANSYS在機械與化工裝備中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[5]GB12337-1998，鋼制球形儲罐[S].