基于低溫液化氣體儲罐強度分析和結(jié)構(gòu)改進研究

聶增鵬

引言：伴隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，低溫液化氣體儲存罐在各個領(lǐng)域中被廣泛使用包括：醫(yī)藥領(lǐng)域、化工領(lǐng)域、航天航空領(lǐng)域、冶金領(lǐng)域等。液化氣體的使用量逐漸增加而且變得大型化，結(jié)構(gòu)的設(shè)計顯得尤為重要。此論文使用有效元法對一低溫液化氣體儲罐進行強度分析和結(jié)構(gòu)改進研究，對其結(jié)構(gòu)提出有效的改進措施，并針對其儲罐封口做出有效的改進。

當(dāng)前低溫液化氣體儲罐的強度情況主要有以下幾種類型：一方面，使用有限元模型對一低溫液化氣體儲存罐進行應(yīng)力分析，綜合了載荷組合工況，其中的載荷有自重、風(fēng)載荷、外壓、內(nèi)壓、運輸載荷以及地震載荷。通過分析，可以得知各載荷組合工況下儲罐的應(yīng)力狀況及分布，并校準了鋼制壓力容器分析設(shè)計標準，分析得出，假如熱載荷存在，這一儲罐在連接內(nèi)外筒之間的拉筋和內(nèi)外筒體上作用應(yīng)力強度非常高，已經(jīng)超過了國家標準使用值，這一儲罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計有不合理的地方，必要進行改進。另一方面，通過改進低溫液化氣體儲罐的結(jié)構(gòu)，使用增加拉板并且把扭轉(zhuǎn)拉筋換成平直拉筋，將儲罐內(nèi)外筒體連接方式變?yōu)樯隙斯潭ǎ露嗽撥嚳苫瑒邮健Ｍㄟ^多次對改進后的液化氣體儲罐進行強度校準及應(yīng)力分析，證明了在改進過的新結(jié)構(gòu)有效的削弱了熱載荷產(chǎn)生的不利影響，而且符合載荷組合工況的校準。最后，此論文對液化氣體儲罐外筒體下封口的線性及非線性穩(wěn)定性分析，經(jīng)過計算和分析發(fā)現(xiàn)

一、低溫液化氣體儲罐的結(jié)構(gòu)分析

在傳統(tǒng)的液化氣體儲罐結(jié)構(gòu)中，基本上都存在著強度較低的問題，在改進了其連接方法，將低溫液化氣體儲罐實行內(nèi)外一體化之后，將原來的相關(guān)拉筋的結(jié)構(gòu)進行了改變，新型的方式將拉筋和拉板二者都進行了有效的固定，在下端也是采用的特殊方式進行處理，其處理方式是將套筒的內(nèi)外不固定，這樣改進的目的主要是為了消除熱應(yīng)力。在對低溫液化氣體儲罐進行了改進以后，分析有限元應(yīng)力以及強度，最后的結(jié)果是，在改進后的機構(gòu)中，每一個部分都是可以完全滿足強度要求的。此外，改進后的結(jié)構(gòu)還有如下幾個方面的優(yōu)點：

1.1在新型結(jié)構(gòu)中，重點改進了傳統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)型拉筋，改進后的拉筋方式主要有兩種，一種是平直的拉板，另一種是平直的拉筋，這樣的改進有效的降低了拉筋的構(gòu)筑難度系數(shù)，減少了拉筋的加工時間，有效的降低了拉筋的制造成本。

1.2在新結(jié)構(gòu)中，一共采用了八個平直拉晶和八個平直拉板，而在原來的結(jié)構(gòu)中，是采用的是三十二個拉筋，改進后的新結(jié)構(gòu)有效的降低了拉筋的數(shù)量，這樣一方面節(jié)約了大量的拉筋原材料，另一方面也降低了拉筋的構(gòu)筑時間，減少了拉筋的焊接缺陷等問題。

1.3在新結(jié)構(gòu)中，是采取的是內(nèi)外套筒的方式進行連接的，這樣能有效的使內(nèi)筒體順著軸向的方向自如的收縮，能最大限度的降低熱荷載所帶來的影響，進而提升了低溫儲罐的綜合承載能力。

二、低溫液化氣體儲罐的強度分析

相關(guān)的研究結(jié)合有限元的方法，對低溫液化氣體儲罐在外筒體下封頭受支座反力聯(lián)合以及受外力等綜合作用下，對穩(wěn)定性的非線性和線性進行有效的分析，最后得出下面的幾點結(jié)論：

2.1在研究中重點分析了低溫液化氣體儲罐外筒體下，封頭所收到的荷載下，并不會產(chǎn)生相關(guān)的穩(wěn)定性破壞。

2.2在經(jīng)過線性分析以后，得到了軸向力以及臨界失穩(wěn)定性外下情況下，這二者都大于非線性的綜合分析結(jié)果。

2.3支座的存在，并不會對封頭的臨界失穩(wěn)壓力帶來任何影響。

2.4在封頭上，因為其外壓發(fā)生失穩(wěn)，以及相應(yīng)的軸向支座反力產(chǎn)生失穩(wěn)二者之間是互不影響的，也就是說二者之間都會發(fā)生其臨界荷載的程度。

2.5在支座上，有沒有墊板對封頭的臨界造成不穩(wěn)定的外壓影響幾乎可以忽略不計，但是，墊板能有效的提升封頭的臨界失穩(wěn)產(chǎn)生軸向力。

三、結(jié)論

在本次研究中，采取了有限元法來對一個低溫液化氣體儲罐進行了強度和應(yīng)力分析，同時提出了結(jié)構(gòu)更為合理的措施，提升了低溫液化氣體儲罐的綜合承載能力，同時，非線性和線性兩種方法，對低溫液化氣體儲罐的荷載能力進行了大量研究和分析，得出了下面的結(jié)論。

3.1在強度分析方面，重點分析了八種不同的荷載組合，涉及的荷載是非常多的，包括熱載荷、外壓、內(nèi)壓、地震荷載、風(fēng)荷載以及運輸荷載等等。在經(jīng)過計算后，得到了不同荷載在低溫儲罐中的應(yīng)力分布情況，結(jié)合相關(guān)的設(shè)計標準開展了強度校荷，結(jié)果顯示，在以前的低溫儲罐的熱荷載的作用下，應(yīng)力的強度時非常之高的，大大的超越了相應(yīng)的數(shù)值，通過分析后得出，傳統(tǒng)的低溫儲罐在結(jié)構(gòu)方面存在著諸多的不足，需要對結(jié)構(gòu)進行不斷的優(yōu)化。

3.2對原低溫儲罐的結(jié)構(gòu)做出改進，將原來的扭轉(zhuǎn)拉筋結(jié)構(gòu)進行有效的改變，其上端采取拉筋固定和拉板，下端則采取內(nèi)外套筒的不固定方式的組合，對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行強度校核和應(yīng)力進行分析，結(jié)果得出，在改進以后的機構(gòu)中，不同種類的荷載組合都通過最最終的校核。同時，新結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變了原來扭轉(zhuǎn)拉筋轉(zhuǎn)變?yōu)榱死搴推街崩睿@樣最大限度的降低了拉筋的構(gòu)筑難度系數(shù)，減少了加工時間，節(jié)約了制造成本，同時減少了拉筋的綜合數(shù)量，有效的節(jié)約了鋼材，進而縮短了在施工過程中焊接拉筋的周期，進而降低了出現(xiàn)焊接缺陷的可能以及應(yīng)力集中現(xiàn)象。

四、總結(jié)

在進行了低溫液化氣體儲罐的結(jié)構(gòu)改造和強度分析以后，取得了一些客觀的成果，但是，所進行的研究還有很多可以進一步實現(xiàn)改進的地方。包括在封頭方面，或者在支座等方面，如何分析這些技術(shù)性較為高的課題是未來必須要解決的問題，同時，不同荷載組合之間的穩(wěn)定性如何進行分析也是一個需要突破的課題，還需要相關(guān)的研究人員或者研究結(jié)構(gòu)進一步進行研究和探索。

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（作者單位：重慶欣雨壓力容器制造有限責(zé)任公司）