2 000 m3大型鋼制球罐的應力分析

李建奎，劉 峰，劉 娟，付路路

2 000 m3大型鋼制球罐的應力分析

李建奎1，劉 峰1，劉 娟2，付路路2

（1. 遼寧石油化工大學 機械工程學院， 遼寧 撫順 113000； 2. 山東華魯恒升化工股份公司, 山東 德州 253024）

應用有限元軟件對鋼制球罐進行了靜載應力分析，施加位移約束和靜載荷之后，得到了球罐整體結構的應力及應變云圖，并依據JB 4732-1995《鋼制壓力容器分析設計標準》，參照GB12337—1998《鋼制球形儲罐》對其進行了強度評定，結果表明該結構是可靠的。分析出的數據庫為以后球罐的優化設計提供了可靠的理論價值。

鋼制球罐；有限元分析；應力分析

目前球形儲罐的參數已向著大型化發展，材料的用量越來越大,在結構、載荷上的要求提高，現在有很多家設計單位采用有限元分析方法[1]進行球形儲罐的設計及校正。球罐的容量大，一直承受高壓、低循環疲勞載荷，又受結構和自重的限制，故障不容易監控，一些實驗都難以在實驗室完成，而且受試驗周期和經費的限制。有限元分析法（ANSYS）是一種應用較廣泛的分析軟件，使用有限元分析軟件可以有效地解決試驗中存在的問題，減少研制經費和時間，具有重要的現實意義和發展前景[2]。有限元法（ANSYS）是一種應用廣泛的通用工程分析軟件。它有功能完備的預處理器、加載求解和后處理器。在主菜單中分別對應Preprocessor、Solution、General Postproc、TimeHist Postpro[3]。

1 球罐有關參數

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的腐蝕裕量。計算壓力的選取按照JB4732-95規定，計算中包括二次應力強度的組合應力強度時，該選用工作載荷進行計算分析。這次分析中均選用了設計載荷進行計算，對于分析結果是偏于安全的。

因為該球罐具有安全閥，需要做氣密試驗，根據TSGR0004-2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》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[4,5]。球罐的具體參數如表1-4所示。

表1 球罐的基本設計參數Table1 The basic design parameters of tank

表2 計算條件Table 2 Calculation conditions

表3 材料性能數據Table 3 Material performance data

表4 載荷工況Table 4 Load case

2 有限元分析模型

球形儲罐由于其結構承載特性,在考慮其載荷作用時,不僅要考慮內壓等的面力作用而且應考慮重力等體力的影響。完整的球罐分析應考慮以下載荷:

（1）壓力,當液柱靜壓力超過設計壓力的5%時尚應計及液柱靜壓；

（2）球罐殼體自重；

（3）風載；

（4）地震的體力作用,包括水平地震力和垂直地震力,一般情況下只考慮水平地震力的作用。

在構建整體球形貯罐的模型時，考慮到球罐的各種開口接管對于整體來說影響相對較小，從整體角度其影響作用只是局部的,加之整體分析重點考查在各種載荷下支柱與球罐相接部位的應力狀況,因此在構建整體分析模型時可將各種接管忽略。在構建模型的規模上，綜合考慮幾何結構特征及承載特性，從工程處理問題角度總可以找出一個對稱面,因此在球罐的應力分析中取一半來構建模型[6]。

2.1 球罐整體結構分析

根據球罐整體結構特點和載荷施加特點，取球罐的1/2構建有限元模型。邊界條件和所用單元如下：

位移邊界條件：在XY坐標平面（總體笛卡爾坐標系，相當于球罐對稱面）：施加對稱邊界條件。支腿下端，ΔX=ΔY=ΔZ=0（總體笛卡爾坐標系）；

有限單元選擇：球罐本體及支柱結構采用ANSYS軟件中的20節點三維實體單元(SOLID95單元)。拉桿采用ANSYS軟件中的2節點三維桿單元（LINK10單元）。

球罐整體結構和劃分網格圖形如圖1所示。

2.2 應力與應變分析結果

本文考慮施加載荷的工況為(載荷邊界條件)：自重+內壓、自重+內壓+風載、自重+內壓+25%風載+地震、壓力試驗四種載荷工況[7]。

圖1 球罐整體結構模型及網格劃分模型Fig.1 The overall model structure and mesh model of the tank

（1）自重+內壓工況：重力加速度g=9.81 m/s2，P=2.18 MPa，介質液柱靜壓力=0.055 421 MPa；如圖2中應力及應變云上可以看出，應力強度最大點位于球殼外壁，支柱托板與球殼相接的下部邊緣處，最大值達到480.79 MPa；應變最大區域位于球罐下半球部分，最大值可達到8.223 7 mm。

圖2 自重+內壓工況下的應力及應變結果圖Fig.2 The stress and strain results under its own weight and internal pressure conditions

（2） 自重+內壓+風載工況：重力加速度g=9.81 m/s2，P=2.18 MPa，介質液柱靜壓力=0.055 421 MPa，基本風壓400 Pa；

如圖3所示，應力強度最大點位于球殼外壁，支柱托板與球殼相接的下部邊緣處，最大值達到498.86 MPa；從應變云圖可以看出，應變最大區域位于球罐下半球部分，最大值可達到9.143 9 mm。

圖3 自重+內壓+風載工況下的應力及應變結果圖Fig.3 The stress and strain results under its own weight, internal pressure and wind load conditions

（3）自重+內壓+25%風載+地震工況：重力加速度g=9.81 m/s2，P=2.18 MPa，基本風壓400 Pa，根據JB/T4710—2005《鋼制塔式容器》規定[8]，50年設計基準期超越概 10%的地震加速度取值AMAX=0.063 g，地震影響系數最大值αmax=0.04，地震最大水平方向加速度a=Cz，αg=0.176 58 m/s2。

圖4 自重+內壓+25%風載+地震工況下的應力及應變結果圖Fig.4 The stress and strain results under its own weight, internal pressure, 25% of wind load and seismic conditions

如圖4所示，應力強度最大點位于球殼外壁，支柱托板與球殼相接的下部邊緣處，最大值達到523.22 MPa；從應變云圖可以看出，應變最大區域位于球罐側部分，最大值可達到10.971mm。

（4） 壓力試驗工況：重力加速度g=9.81 m/s，P=2.725 MPa，基本風壓400 Pa；水液柱靜壓力0.154 MPa。

如圖5所示，應力強度最大點位于球殼外壁，支柱托板與球殼相接的下部邊緣處，最大值達到709.83 MPa；從應變云圖可以看出，應變最大區域位于球罐下半球部分，最大值可達到12.706 mm。

圖5 壓力試驗工況下的應力及應變結果圖Fig.5 The stress and strain results under pressure test conditions

對球罐模型施加各種工況情況下的約束和載荷后，求解并進行結構后處理得到應力云圖和應變云圖，從圖中可以看出應力強度的最大值以及出現的位置[9]，為后期的此類型的球罐的設計和優化提供較高的參考價值。

由于工程分析中采用彈性分析來處理具體問題,因此在球罐應力分析中各種載荷引起的應力就可以分別計算,進而采用線性疊加的方法來計算各種載荷組合工況下的應力。通常情況下,在球罐分析中應分別計算以下各種載荷引起的應力:(1)自重載荷；(2)內壓載荷；(3)風載荷；(4)地震載荷；(5)壓力試驗載荷。必要情況下尚應計算雪載荷。在計算各種載荷引起的應力時,為了實現載荷組合,必須注意有限元分析模型應完全一致,否則無法實現疊加。

3 結 論

通過利用ANSYS12.1有限元軟件對球罐整體結構進行了應力分析及強度評定[10]。構建了適用于球罐分析的有限元模型，通過后處理得到了應力分布變化圖，并根據應力分析結果對其進行了強度評定。經過分析計算，托板與球殼連接處是高應力區，對該處結構的優化將是設計的重點。運用ANSYS分析影響球罐應力強度的各種因素，包括自重、內壓、風載、地震、壓力及本文未提及的雪載等，這些因素取不同值時記錄此時對應球罐的應力分布，然后建立一定的數據庫，為后續大型球罐優化問題的研究提供了強有力的理論依據。

［1］ JB4732-1995．鋼制壓力容器分析設計標準[S]．

［2］ 倪向貴，李新亮，張廣明,等．鋼制球罐有限元疲勞分析設計[J].中國科學技術大學學報，2008，38(2)：220-224．

［3］ 王榮榮，付路路,等．基于ANSYS的圓柱銷裝配預應力受力分析[J].當代化工，2014(2)．

［4］ GB150-1998．鋼制壓力容器[S]．

［5］ GB12337-1998．鋼制球形儲罐[S]．

［6］ 梅林濤，楊國義，壽比南等．球形儲罐應力分析及評定[J]. 壓力容器，2002，19(7)：15-17．

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

［8］ JB/T 4710—2005．鋼制塔式容器[S]．

［9］ 劉明福．a點局部應力分析與球罐優化設計[J]. 石油化工設備技術，2006，27(1)：6-8．

［10］ 宋鵬．大型液化氣球形儲罐有限元分析設計[D].大連：大連理工大學，2009，38(2)：220-224．

Stress Analysis of 2000m3Large Steel Storage Tank

LI Jian-kui1，LIU Feng1，LIU Juan2，FU Lu-lu2
（1. School of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113000，China；2. Shandong Huaneng Power Chemical Corporation, Shandong Dezhou 253024，China）

The static load stress analysis of steel storage tank was carried out with the finite element software, the cloud of stress and strain overall structure of the tank were obtained after applying static load and displacement constraints, and the strength assessment was carried out according to JB 4732-1995steel pressure vessel analysis and design standardsand GB12337-1998steel spherical tanks. The results show that the overall structure of the tank is reliable. The available databases provide reliable academic value for the optimization and design of the subsequent large tank.

Steel tank；Finite element analysis；Stress analysis

TQ 052

A

1671-0460（2015）04-0852-03

2014-12-12

李建奎（1988-），男，河南周口人，碩士，研究方向：故障診斷與分析。E-mail：ljk_sunflower@163.com。

劉峰（1971-），男，教授，博士，研究方向：材料的力學性能、材料分析技術、金屬疲勞與斷裂。