用PVELITE做間接空冷埋地水箱的應力分析

杜守亮

摘 要：與普通水箱相比。埋地水箱結構復雜受力因素多，很難手工精確計算，在解決埋地水箱外壓計算和建模難題后。采用PVELITE軟件進行應力計算，能夠準確計算出水箱的強度，為埋地水箱合理化設計提供保障。

關鍵詞：間接空冷；地下水箱；應力分析；PVELITE

中圖分類號：TG172.5 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）09-0051-02

埋地水箱是間接空冷系統必備的大型容器，埋在凍土層以下土壤里，受到土壤的作用力，因此地下水箱的設計不僅要考慮內壓、還要考慮土壤施加的外壓。PVELITE軟件基于容器設計標準，采用Zick分析方法，具有圖形數字界面、操作簡單易行的特點，能夠對容器的外壓殼體壁厚和加強圈進行計算，能夠對筒體、封頭、加強圈、管口、法蘭提供詳細分析，輸出完整的應力分析報告。

1 確定埋地水箱外壓

應用PVELITE軟件計算分析地下水箱應力，首先要確定水箱的外壓。如果把廣闊的連續的土壤看成一種密度均勻的物質，那么根據彈性理論，在連續均勻的物體內，任一點的垂直面和水平面上只有垂直應力pv（這個應力是在重力作用下產生的），沒有切應力。此時的應力大小等于土壤密度和土壤深度的乘積（pv=р*H）。當水箱埋入土壤中時，水箱在土壤重力作用下會產生側向力，在豎直面內沿水平方向分布，屬于衍生力，記作ph，參見文獻[1]。ph=K*pv，K代表土壤系數，不同土壤取值不一樣，碎石土系數取0.18-0.25，沙土系數取0.25-0.33，黏土系數取0.33-0.42。

水箱半徑為R，以圓心為坐標原點，水箱表面任意某點A的外壓記作p，p方向指向原點。對A點做受力分析，取過水箱表面A點附近任意一段微量長度l，則長度l范圍內力Fl=p*l，因為Fl是由pv和ph共同作用產生的，所以把pv和ph矢量化求和，得到pv*sinθ*l+ph*cosθ*l，即：p=pv*sinθ+ph*cosθ。

2 建模分析前的準備工作

（1）該項目埋地水箱設計條件：以地面做零米標高，水箱被埋在地面以下負3.5m，凍土層深度從地面零米到地下負1.2m區間。水箱外徑3.54m，壁厚20mm，長度9m，筒體本身開有人孔、儀表孔、普通泄水口、緊急泄水口、塔外補水管接口和排氣管，筒體兩側為橢圓形封頭，如圖1所示。水質為除鹽水，腐蝕余量按照2mm考慮。設計壓力為0.6Mpa，設計溫度100℃。間接冷卻系統運行時，埋地水箱存水量為筒體和封頭總容積的10%，故障或停機時，水箱存水量為筒體和封頭總容積的90%，水箱壓力試驗含水量最高到人孔頂端。（2）設計標準：埋地水箱的設計標準執行GB/T150-2011《壓力容器》和JB4732-1995《鋼制壓力容器分析設計》。（3）埋地水箱應力計算分析采用軟件PVELITE：PVELI-TE是容器、換熱器等設備進行應力分析的主流軟件，能夠對容器、換熱器等設備進行內、外壓計算，特別適合做埋地水箱的外壓計算，其操作比ANSYS等有限元分析軟件簡單，結果可靠。

3 建立埋地水箱模型

在設計參數表中輸入的參數有設計內壓、設計外壓、設計內壓對應的設計溫度和設計外壓對應的設計溫度、基礎線的定位、壓力試驗類型和試驗位置、容器外表面到法蘭密封面距離、容器類型、使用場合、射線檢測等級等。

設計內壓輸入0.6Mpa、設計外壓（由上述公式可以算出最大壓力出現在距離筒體中心1/3R處，數值為0.1634Mpa，此值作為筒體設計外壓）。設計內壓對應的設計溫度100℃，設計外壓對應的設計溫度10℃。基準線定位在筒體和左封頭交界線上。壓力試驗類型為液壓試驗，試驗壓力（取1.3倍的設計壓力，0.78Mpa），要考慮人孔、排氣管的液柱靜壓力，試驗位置選臥式。在容器外表面到法蘭密封面距離選項中，儀表孔到水箱外表面距離是300mm，人孔到水箱外表面距離是2200mm。容器類型是指水箱的制造形式，選焊接形式，使用場合選用一般場合。射線檢測等級根據水箱焊縫的詳細類型選擇，本項目水箱射線檢測最低等級要求為局部射線檢測。

PVELITE軟件對主體結構建模有次序要求（涉及基準線定位），首先從左封頭開始，依次輸入筒體、右封頭。對于附件沒有次序要求，筒體、封頭上的人孔、儀表孔和普通泄水口、緊急泄水口、塔外補水管接口、排氣管等只要按照尺寸輸入即可。其中人孔、儀表孔為法蘭接頭，其余孔、口、管的末端為鋼管接頭。

管口設計壓力有三個選項：（1）最大允許工作壓力與液柱靜壓頭之和，需要先計算零部件的最大允許工作壓力，較為繁瑣，不建議選用；（2）設計壓力與液柱靜壓頭之和，此項不需要考慮最大允許工作壓力，較為簡潔，本項目選擇此項；（3）整體最大允許工作壓力，也比較繁瑣，一般不選擇。軟件對管口有自動核算是否增設補強圈功能，因此補強圈可以暫不輸入。水箱的鋼管與筒體（封頭）的焊接類型在在Nozzle模塊中可以找到，為全焊透類型。

法蘭類型選用整體對焊類型，模型中不僅要輸入法蘭形狀尺寸，還要輸入墊片、緊固件、法蘭蓋的參數。

建模過程中筒體和封頭材料為Q235B，選用美標相匹配的低碳鋼，泊松比、彈性模量、許用應力等輸入Q235B的特性參數，法蘭、鋼管的材料為20號鋼，輸入方法同Q235B。

在建模過程中，界面底部會有提示，如果輸入不合理，則會有紅色提示出現。建模要求嚴格按照圖紙輸入零部件尺寸，在檢查無誤后進入到計算階段。

4 PVELITE計算及結果分析

（1）工況選擇。PVELITE軟件在計算的時候要選取計算工況，計算工況有多種，我們只選擇符合本項目計算要求的工況組合：空重；內壓+操作重量；內壓+操作重量+地震；試驗壓力+實驗重量；外壓+操作重量；外壓+操作重量+地震。（2）計算結果。PVELITE軟件根據工況組合計算出水箱的各個工況應力：水箱自重應力、內壓應力、外壓應力、試驗壓力引起的應力、地震工況下水平力引起的軸向應力、地震工況下水平力引起的彎曲應力等等。PVELITE軟件不僅能夠算出水箱各個組件的上述應力，還能算出管口受力是否超標，里面含有WRC107和297公式。本項目水箱計算最大應力出現在地震工況下的水平力引起的彎曲應力，數值為263.1Mpa，位置在緊急泄水管的根部位置，超過許用應力（170Mpa），不合格，調整補強圈和管子壁厚，該彎曲應力下降到157.0Mpa，應力合格，水箱整體計算應力全部合格，強度滿足要求。

5 結語

埋地水箱一旦埋入地下，不易取出，因此埋地水箱的設計要確保準確、安全、可靠，且不能大幅度浪費材料。采用PVELITE軟件計算水箱強度，能準確驗證水箱設計的安全性、合理性，為優化水箱設計提供依據。

參考文獻

[1]斐召華.埋地臥式容器的設計計算[J].石油化工設備，2006，35（6）：33-35.

[2]GB/T150-2011.壓力容器[S].

[3]JB4732-1995.鋼制壓力容器設計分析[S].