650 m3液態CO2球罐應力分析

張　薇　大慶油田工程有限公司

650 m3液態CO2球罐應力分析

張薇
大慶油田工程有限公司

球形容器廣泛用于存儲液化石油氣、液化天然氣、液態二氧化碳、壓縮空氣等物料。利用有限元軟件ANSYS對650 m3液態CO2球罐的強度及疲勞問題進行了分析。結果表明，支柱與球殼板連接部位是應力集中最大部位，即所謂的“a點應力”部位，在設計該部位時要盡可能圓滑過渡；另外該部位的剛性不能過大。上、下極帶的管口需根據管口間距，合理地建立單個或聯合開孔的有限元模型。

球罐；ANSYS軟件；模型；應力；疲勞強度

引言

球形容器是重要的存儲設備，與其他類型容器相比，其具有幾何形狀的中心對稱性，因此受力均勻，承載能力強，材料利用率高。該容器廣泛用于存儲液化石油氣、液化天然氣、液態二氧化碳、壓縮空氣等物料。

利用有限元軟件ANSYS對650 m3液態CO2球罐的強度進行了分析，求出結構在各工況下的應力分布情況，進而找出最大應力點進行疲勞分析。

1　建模

1.1計算模型

球罐直徑為10 700 mm，采用橘瓣式6支柱結構，設計壓力2.5 MPa，設計溫度-40℃，材料彈性模量E=205 000 MPa，泊松比0.3。球罐的材料性能數據見表1，循環次數計算見表2。

表1　材料性能數據

表2　循環次數計算

1.2有限元模型

取實體作為分析對象并進行適當簡化，由于結構是關于中心平面對稱的，為減小計算規模，取1/2實體進行建模。

球罐本體及支柱結構采用20節點三維實體單元（SOLID 95）；拉桿采用2節點桿單元（LINK8），有限元模型見圖1。

圖1　有限元計算模型

1.3載荷及邊界條件

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DX=DY=DZ=0（總體笛卡爾坐標系）。

力邊界條件：分別按自重+計算壓力、自重+計算壓力+風載、自重+計算壓力+25%風載+地震、壓力試驗四種載荷工況施加。

2　應力分析結果

工況①：即操作工況，僅考慮設計壓力、液柱靜壓力及重力，整體結構應力見圖2。

圖2　工況①結構應力云圖

工況②：在考慮設計壓力、液柱靜壓力及重力同時，施加650 N/m2風載荷，整體結構應力見圖3。

圖3　工況②結構應力云圖

工況③：按地震設防烈度為7度，地震加速度為0.1g施加水平地震力，整體結構應力見圖4。

圖4　工況③結構應力云圖

工況④：即壓力試驗工況，球罐充滿水介質，壓力為2.5×1.25=3.13MPa，重力加速度g=9.81m/s2。

圖5　工況④結構應力云圖

球罐人孔及接管局部結構分析時考慮到自重、風壓和地震載荷對分析結果影響甚微，本文分析時只考慮計算壓力載荷。

局部結構應力最大點應力分析結果見圖6。

圖6　DN500+DN50接管結構應力分析結果

3　疲勞強度評定

由于本設備所有接管選用的材料相同，各接管處應力最大值位置相似，疲勞評定用的曲線相同，所以選取1個應力最大點進行疲勞評定。

工作壓力循環為1.3～2.3 MPa，考慮介質液柱靜壓，按1.3～2.41 MPa最保守壓力循環做疲勞分析。

分析結果表明：累計用度系數=0.033 58＜1.0，即疲勞校核合格。

4　結論

（1）球罐的整體應力分析應考慮多種載荷及不同工況，分別建立模型進行分析，合理地施加力邊界條件和位移邊界條件。

（2）支柱與球殼板連接部位是應力集中最大部位，即所謂的“a點應力”部位，在設計該部位時要盡可能圓滑過渡，另外該部位的剛性不能過大。

（3）上、下極帶的管口需根據管口間距，合理地建立單個或聯合開孔的有限元模型。

（4）采用ANSYS有限元軟件對650 m3液態CO2球罐進行了應力分析設計，實際運行表明，分析手段和結果安全可靠。

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.7.012

2015-01-21