大型球罐內(nèi)部定檢工作臺的設(shè)計與分析

肖世德，張睿，劉禹，張磊，張若凌，湯偉

大型球罐內(nèi)部定檢工作臺的設(shè)計與分析

肖世德1，張睿1，劉禹1，張磊2，張若凌2，湯偉2

（1.西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 成都 610036；2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000）

針對大型球罐內(nèi)部定檢需求設(shè)計了一種新的內(nèi)部定檢工作臺，該定檢工作臺主要由頂部回轉(zhuǎn)平臺、牽引裝置、中央支撐立柱、底部支承支架和回轉(zhuǎn)支撐平臺組成。回轉(zhuǎn)支撐臂裝配于中央支撐立柱中部，上、下回轉(zhuǎn)支撐臂、載人工作籃和中央支撐立柱構(gòu)成雙搖桿機構(gòu)，保證載人工作籃在運動過程中始終保持維修員工作位置水平；使用ANSYS Workbench軟件對該定檢工作臺主要受力結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，驗證該定檢工作臺滿足強度、安全等設(shè)計要求性能指標。該定檢工作臺可對大型球罐內(nèi)壁進行全方位檢查，與原有檢修模式相比，省去了搭設(shè)和拆除內(nèi)部腳手架的繁復(fù)工作，可以較大幅度節(jié)省檢修時間和人力、物力、財力消耗，提高檢修工作效率和質(zhì)量。

大型球罐；內(nèi)部定檢工作臺；有限元分析

大型球罐作為一種大容量、高承壓的特種鋼制球形儲存容器，主要用于貯存液態(tài)或氣態(tài)物料，也可作為壓縮氣體儲罐和真空球罐。大型球罐一般由若干塊球殼狀鋼板焊接而成。為保證大型球形壓力容器能夠安全工作，避免惡性事故發(fā)生，球罐在服役過程中必須定期檢修，檢測發(fā)現(xiàn)裂紋并進行補焊。

目前，國內(nèi)大型球罐罐內(nèi)檢修，不管是投產(chǎn)前的新罐還是投用后的舊罐，一般采用傳統(tǒng)的搭腳手架工作方法來完成。這樣，不僅檢修工作量繁重，而且檢修時間拉長。例如，對一臺1000 m3球罐的罐內(nèi)檢查，必須搭滿堂紅腳手架。若全部用鋼結(jié)構(gòu)腳手桿，則需長6 m鋼管約500根，連接卡子2500～3000個，搭一次架子約需6個工人搭15天。此種工作方式勞動強度大、檢修周期長、維修成本高，且容易造成球罐內(nèi)壁二次損傷等問題[1-4]。

針對上述問題，根據(jù)X項目需求，本文設(shè)計了一種新型大型球罐內(nèi)部定檢工作臺，該定檢工作臺由頂部回轉(zhuǎn)平臺、牽引裝置、中央支撐立柱、底部支承支架和回轉(zhuǎn)支撐平臺組成。使用 ANSYS Workbench軟件對主要受力結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，驗證了該定檢工作臺的設(shè)計可行性和可靠性。

1 球罐內(nèi)部定檢工作臺設(shè)計

1.1 設(shè)計依據(jù)

根據(jù)X項目需求任務(wù)書和球罐圖紙，球罐內(nèi)徑12300 mm，球罐壁厚52 mm，球罐外徑12404 mm，人孔凸緣采用DN500型。查閱HG/T 21518-2005《回轉(zhuǎn)蓋帶頸對焊法蘭人孔》得到，人孔內(nèi)徑為506 mm，人孔壁厚為12 mm，20個螺栓孔均布直徑1為660 mm，螺栓孔直徑為36 mm，分別如圖2、圖3所示。

圖1 大型球罐結(jié)構(gòu)例圖

圖2 回轉(zhuǎn)蓋帶頸對焊法蘭人孔示意圖

圖3 回轉(zhuǎn)蓋帶頸對焊法蘭人孔型式圖

1.2 定檢工作臺性能指標

大型球罐內(nèi)部定檢工作臺運行時工作范圍大、轉(zhuǎn)動慣量大、穩(wěn)定性要求高，參考球罐搭建工程相關(guān)實例[5]。結(jié)合球罐的結(jié)構(gòu)尺寸，經(jīng)綜合考慮，最后確定定檢工作臺性能指標如表1所示。

表1 球罐內(nèi)部定檢工作臺主要性能指標

2 定檢工作臺的總體方案

本文創(chuàng)新設(shè)計的大型球罐內(nèi)部定檢工作臺主要由頂部回轉(zhuǎn)平臺、牽引裝置、中央支撐立柱、底部支承支架及回轉(zhuǎn)支撐平臺組成。中央支撐立柱為多段結(jié)構(gòu)，方便進出人孔蓋。各段通過端部法蘭連接固定，裝配于底部支承支架正上方；頂部回轉(zhuǎn)平臺裝配于球罐頂部人孔法蘭上，其上安裝有電機驅(qū)動水平回轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)，驅(qū)動中央支撐立柱旋轉(zhuǎn)并帶動回轉(zhuǎn)支撐平臺水平回轉(zhuǎn)。牽引裝置裝配在位于球罐頂部的牽引裝置支架上；回轉(zhuǎn)支撐平臺裝配于中央支撐立柱中部；上、下回轉(zhuǎn)支撐臂、載人工作籃和中央支撐立柱均在同一平面內(nèi)運動，共同構(gòu)成雙搖桿機構(gòu)，保證載人工作籃在運動過程，工作位置始終保持水平；底部支承支架與球罐底部人孔定位裝配如圖4所示。

1.底部支承支架 2.中央支撐立柱 3.回轉(zhuǎn)支承裝置 4.升降牽引裝置 5.頂部圍欄 6.頂部回轉(zhuǎn)平臺 7.抽氣機

3 升降牽引裝置的設(shè)計與分析

載人工作籃由牽引裝置通過鋼絲繩牽引實現(xiàn)升降，載人工作籃及負載總重、變幅升降牽引力、回轉(zhuǎn)支撐臂支撐力共同作用[6]，受力狀態(tài)如圖5所示。

在豎直和水平方向上建立平衡方程：

1、2隨載人工作籃高度變化而變化。1、2成比例變化，當(dāng)載人工作籃運動至、位置時，1、2的關(guān)系如圖6所示。

G1.載人工作籃及負載總重，kN；F1.變幅升降牽引力，kN；F2.回轉(zhuǎn)支撐臂支撐力，kN；θ1.頂部牽引鋼絲繩仰角，rad；θ2.回轉(zhuǎn)支承臂俯仰角，rad。

圖6 載人工作籃在A和B位置的角度關(guān)系圖

聯(lián)立式（1）和式（2）得：

載人工作籃自重為200 kg，設(shè)計性能指標要求載人工作籃可承受300 kg的額定載荷，因此，1＝5 kN。載人工作籃升降過程中，1由頂部牽引裝置提供。

圖7 θ1和F1的函數(shù)曲線圖

4 回轉(zhuǎn)支撐平臺的設(shè)計與分析

4.1 理論設(shè)計計算

回轉(zhuǎn)支撐平臺主要由上、下回轉(zhuǎn)支撐臂、貼壁裝置及載人工作籃構(gòu)成。上、下回轉(zhuǎn)支撐臂一端與中央支撐立柱五固定裝配的支架鉸接，另一端與載人工作籃鉸接。載人工作籃頂部通過鋼絲繩與電動葫蘆連接，構(gòu)成安全鎖緊裝置，實現(xiàn)上、下行程的斷電保護。前端設(shè)有由手動推桿和球關(guān)節(jié)吸盤構(gòu)成的球關(guān)節(jié)貼壁裝置，以減緩載運動到點位后，檢修人員工作時出現(xiàn)的工作籃晃動。如圖8所示。

上、下回轉(zhuǎn)支撐臂的外載有載人工作籃載荷F、中央支撐立柱載荷F、回轉(zhuǎn)支撐臂自重G和回轉(zhuǎn)慣性力F（FFFG的單位為kN）。靜止狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)支撐臂軸承受軸向壓力。F和2為相互作用力，F和F為一對平衡力，受力如圖9所示。

解得2恒等于5 kN。所以每根回轉(zhuǎn)支撐臂所受載荷為2.5 kN。

1.上回轉(zhuǎn)支撐臂 2.下回轉(zhuǎn)支撐臂 3.載人工作籃 4.安全鎖緊裝置 5.牽引鋼絲繩 6.球關(guān)節(jié)貼壁裝置

圖8 回轉(zhuǎn)支撐平臺結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 回轉(zhuǎn)支撐臂受力示意圖

回轉(zhuǎn)支撐臂長1＝3.8 m，回轉(zhuǎn)支撐臂平均直徑和壁厚由式（6）確定：

式中：σ1為回轉(zhuǎn)支撐臂壓應(yīng)力，Pa；F1為回轉(zhuǎn)支撐臂臨界壓力，kN；σ1為回轉(zhuǎn)支撐臂臨界應(yīng)力[7]，Pa；D為回轉(zhuǎn)支撐臂平均直徑，mm。

回轉(zhuǎn)支撐臂選用許用壓應(yīng)力[]＝3.05×108Pa的低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。使用迭代優(yōu)化，可得D＝100，T＝20，回轉(zhuǎn)支撐臂總重G＝1.87 kN。運動狀態(tài)下，還承受載人工作籃載荷慣性力和回轉(zhuǎn)支撐臂自重慣性力：

式中：F1為載人工作籃載荷慣性力，N；F2為回轉(zhuǎn)支撐臂自重慣性力，N；為載人工作籃載荷到回轉(zhuǎn)中心距離，m；為額定轉(zhuǎn)速，r/min；為重力加速度；為回轉(zhuǎn)啟制動時間，s；為回轉(zhuǎn)支撐臂根部銷軸到回轉(zhuǎn)中心的距離，m。

根據(jù)定檢工作臺的性能指標得：＝6.1，＝0.5，＝0.5，G＝2756＝0.27，代入計算得：F1＝319.4；F2＝88.3。

回轉(zhuǎn)面內(nèi)，簡化為一端固定一端懸臂，根據(jù)式（8）對回轉(zhuǎn)支撐臂根部進行彎曲正應(yīng)力校核[6-7]：

式中：為內(nèi)外徑之比；σmax為最大彎曲正應(yīng)力，MPa；max表示橫截面上的彎矩，N·m；max表示橫截面上該點到中心軸的距離，m；z表示橫截面對中心軸的慣性矩，mm4；為抗彎截面系數(shù)，mm3。

4.2 有限元分析

以定檢裝置中主要承載元件為研究對象，在UG中建立元件的實體模型并導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，運用ANSYS Workbench對主要承載元件進行材料屬性定義、網(wǎng)格劃分以及確定邊界載荷條件等完成零件的有限元模型,然后采用靜力學(xué)分析方法對承載零件的受力狀態(tài)進行模擬仿真，獲得主要承載元件在載荷下的應(yīng)力云圖[8]。

4.2.1 材料屬性

回轉(zhuǎn)支撐臂作為載人工作籃的主要承載部件，需要支撐臂具有吸震能力和一定塑性，以防萬一回轉(zhuǎn)支撐臂承受載荷超過屈服強度極限時，回轉(zhuǎn)臂能產(chǎn)生塑性變形，避免因材料發(fā)生脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂等破壞導(dǎo)致危險事故發(fā)生。由于Q305合金鋼含碳量低，固溶強化低，具有良好的塑性，因此可以作為回轉(zhuǎn)支撐臂的材料。材料屬性如表2所示。

表2 Q305材料參數(shù)

4.2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接影響CAE有限元分析結(jié)果精度。本文使用ANSYS Workbench17.0軟件對定檢工作臺進行有限元分析。ANSYS Workbench具有強大的網(wǎng)格劃分功能，對材料的屬性定義完成后，通過[Mesh]組件實現(xiàn)對模型網(wǎng)格的自動劃分以及網(wǎng)格的質(zhì)量控制[9]。為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，用Hex Dominant Method方法將模型劃分成以六面體為主導(dǎo)的網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)11萬，節(jié)點數(shù)22萬。網(wǎng)格平均質(zhì)量達到0.81。如圖10所示。

4.2.3 載荷和邊界

Mechanical應(yīng)用是ANSYS Workbench的重要組成部分，可進行一般的靜力學(xué)分析、動力學(xué)分析、熱分析和電磁分析等[10]。在Mechanical界面設(shè)置完邊界條件，根據(jù)上述理論分析計算數(shù)據(jù)，在回轉(zhuǎn)支撐臂上端軸承配合處A施加對應(yīng)的軸向載荷，并在支撐臂下端C設(shè)定圓柱約束，如圖11所示。

4.2.4 分析結(jié)果

在結(jié)果后處理中添加等效應(yīng)力（von-Mise）求解，計算出支撐臂的應(yīng)力分布情況和應(yīng)力集中點，回轉(zhuǎn)支撐臂的應(yīng)力分布如圖12所示。

圖10 回轉(zhuǎn)支撐臂網(wǎng)格劃分

圖11 回轉(zhuǎn)支撐臂的載荷與分布

圖12 回轉(zhuǎn)支撐臂應(yīng)力云圖

4.2.5 結(jié)果對比

回轉(zhuǎn)支撐臂的最大應(yīng)力對比如表3所示。顯然有限元分析結(jié)果和理論應(yīng)力計算結(jié)果較為一致合理，保證了回轉(zhuǎn)支撐臂在最大載荷工況時，滿足設(shè)計強度指標要求。

表3 回轉(zhuǎn)支承臂的最大應(yīng)力對比

5 中央支撐立柱的設(shè)計與分析

5.1 理論設(shè)計計算

中央支撐立柱由多節(jié)空心圓柱結(jié)構(gòu)件組成，通過螺栓連接裝配于底部支承支架上方。自下而上為立柱一到立柱十，各段立柱通過端部法蘭上的螺栓組連接。立柱一：外徑260 mm、壁厚20 mm、長1000 mm；立柱二至立柱八：外徑260 mm、壁厚20 mm、長1500 mm；立柱九：外徑150 mm、壁厚20 mm、長1025 mm；立柱十軸承配合處軸段：外徑 240 mm、壁厚40 mm、長450 mm。

中央支撐立柱上承受的載荷主要有：頂部回轉(zhuǎn)支承水平力F1、底部回轉(zhuǎn)支承水平力F2、變幅升降牽引力反力4、回轉(zhuǎn)支撐臂支撐反力5、頂部回轉(zhuǎn)軸承支撐力6、底部支撐力7（很小，忽略不計）、中央支撐立柱及其上載荷重力G、頂部回轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩1、回轉(zhuǎn)慣性阻力矩2、摩擦阻力矩3等，受力狀態(tài)如圖13所示。

分析圖14求得4x在1＝45°處取得極大值4xmax＝5 kN，因此回轉(zhuǎn)支撐臂支撐反力在水平方向的分力5x在此處取得極大值5xmax＝5 kN，頂部回轉(zhuǎn)支承水平力F1＝2.1 kN，底部回轉(zhuǎn)支承水平力F2＝2.1 kN，以上四個橫向力共同作用，產(chǎn)生傾覆力矩M，計算得立柱四處傾覆力矩取得最大值Mmax＝9.8725 kN·m，分析可得最大應(yīng)力只能在立柱四或立柱九上取得。按式（10）對立柱進行強度校核：

式中：D為圓截面的外徑，mm。

圖14 θ1和F4x的函數(shù)曲線圖

5.2 有限元分析

5.2.1 材料屬性

中央支撐立柱作為整個檢測工作臺的核心支撐件，選擇廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)、起重機、中壓化工容器的Q295低合金鋼。Q295具有良好的塑性、冷彎性、冷熱壓力加工性及耐蝕性[11]。材料屬性如表4所示。

5.2.2 網(wǎng)格劃分

考慮到頂部立柱和底部立柱均與圓錐滾子軸承裝配，裝配接觸面積較大。因此綜合運用Automatic和Body Sizing方法劃分網(wǎng)格，對最底部與頂部立柱網(wǎng)格單獨進行細化。網(wǎng)格單元數(shù)15萬，節(jié)點數(shù)60萬。網(wǎng)格如圖15和圖16所示。

表4 Q295材料屬性

圖15 底部立柱網(wǎng)格劃分

圖16 頂部立柱網(wǎng)格劃分

5.2.3 載荷和邊界

如圖17所示,根據(jù)分析計算的數(shù)據(jù)設(shè)置邊界條件，在中央立柱的、處施加對應(yīng)大小的載荷，在頂部立柱底面與軸承端面的接觸面處設(shè)置固定約束，在與軸承內(nèi)圈配合的圓柱表面處設(shè)定圓柱約束。

5.2.4 分析結(jié)果

在有限元分析結(jié)果后處理中添加Von Mises等效應(yīng)力分析，得到中央立柱的應(yīng)力分布如圖18所示。

圖17 中央立柱的載荷和邊界

如圖19、圖20所示，應(yīng)力云圖的顯示結(jié)果驗證了前文的理論計算分析。位于立柱九的法蘭盤與圓柱過渡處應(yīng)力最大。立柱四的表面同樣產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖18 中央立柱應(yīng)力云圖

圖19 立柱九應(yīng)力云圖

圖20 立柱四應(yīng)力云圖

5.2.5 結(jié)果對比

通過對比中央支撐立柱四的理論應(yīng)力計算與有限元分析結(jié)果，如表5所示。顯然有限元分析結(jié)果和理論應(yīng)力計算結(jié)果比較一致合理，滿足設(shè)計強度指標要求。

表5 中央立柱的最大應(yīng)力和立柱四的應(yīng)力對比

6 結(jié)論

針對大型球罐內(nèi)部定檢工作繁重，維修成本高、工作量大、維修時間長、二次損傷風(fēng)險高等問題，按照檢修工作要求，設(shè)計了一種新型的大學(xué)球罐內(nèi)部定檢工作臺，采用頂部牽引和頂部水平回轉(zhuǎn)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)載人工作籃運動范圍對球罐內(nèi)壁所有檢修工作點的全覆蓋及準確定位。載人工作籃通過鋼絲繩與安裝在頂部回轉(zhuǎn)平臺上的電動葫蘆連接，實現(xiàn)上、下運動過程中的斷電安全保護。運用ANSYS Workbench軟件對該定檢工作臺主要受力構(gòu)件進行了機械結(jié)構(gòu)理論應(yīng)力計算和有限元分析，驗證該定檢工作臺主要受力構(gòu)件滿足強度性能指標等設(shè)計要求。該定檢工作臺可對大型球罐內(nèi)壁進行全方位檢查，與原有檢修模式相比，省去了搭設(shè)和拆除內(nèi)部腳手架繁重工作，可大幅度節(jié)省檢修時間和人力、物力等消耗，提高檢修工作效率和質(zhì)量。

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Design and Finite Element Analysis of Internal Regular Checking Workbench of Huge Spherical Tank

XIAO Shide1，ZHANG Rui1，LIU Yu1，ZHANG Lei2，ZHANG Ruolin2，TANG Wei2

( 1.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610036, China; 2.China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang 621000, China)

A new workbench have been designed for the internal regular inspection and maintenance of huge spherical tank. It is composed of top motor platform, lifting traction device, central supporting column, bottom supporting bracket and rotary supporting platform. The upper and lower slewing support arm, the manned work basket and the central support column constitutes a double rocking arms steering mechanism, which ensures that the manned working basket always keep in horizontal movement. Static finite element analysis by ANSYS Workbench of the main stressed structure was conducted to verify the feasibility of the design. The results met the performance index of design requirement regarding strength, security, etc. The regular detection workbench can conduct comprehensive inspections in all position and save manpower, material, money and resources, thus greatly improve work efficiency and quality of maintenance.

huge spherical tank；internal regular inspection workbench；finite element analysis

TH122；TH114

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.06.001

1006－0316 (2020) 06－0001－09

2019－12－12

國家自然科學(xué)基金項目（51775451）

肖世德（1967－），男，四川眉山人，博士，教授，主要研究方向為機械工程CAD/CAPP/CAM應(yīng)用與開發(fā)、智能化網(wǎng)絡(luò)化機電系統(tǒng)監(jiān)控、機器人研究，E-mail：sdxiao@swjtu.cn；張睿（1996－），男，江西撫州人，碩士研究生，主要研究方向為機械電子。