大型臥式LPG覆土子彈罐應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法

陸青松，郭春光

(1.安徽城市管理職業(yè)學(xué)院 軌道交通學(xué)院，安徽 合肥 231600；2.合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 230031)

覆土子彈罐(Mounded Bullet)作為一種液化石油氣(LPG)的常溫存儲(chǔ)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于歐盟及美洲等地區(qū)，亞洲、非洲地區(qū)也在逐步推廣.覆土式儲(chǔ)罐可有效防止常溫壓力存儲(chǔ)液化烴時(shí)的沸騰液體擴(kuò)散蒸汽爆炸,且不受臨近熱源、爆炸沖擊波、飛濺物沖擊或其他突發(fā)情況損害，具有美化環(huán)境、減少占地面積、縮小與周邊臨近設(shè)施安全距離等優(yōu)點(diǎn).近年來(lái)隨著綜合國(guó)力和科技水平的提高，特別是國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略實(shí)施以來(lái)，中國(guó)在國(guó)際上承接的大型石化工程項(xiàng)目日益增多，這些項(xiàng)目一般要求按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)建造[1]，本文中覆土子彈罐即為國(guó)際工程項(xiàng)目設(shè)備，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.本次應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法主要為依據(jù)EEMUA190標(biāo)準(zhǔn)[2]和ASME Ⅷ-2規(guī)范[3]，并應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)3 000 m3LPG覆土子彈罐進(jìn)行了仿真分析[4]，可以為國(guó)內(nèi)外大型臥式覆土子彈罐的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)提供參考.

(a)

1 主要參數(shù)

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

表1 LPG覆土子彈罐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 材料基本參數(shù)

表2 材料基本參數(shù)

2 主體尺寸設(shè)計(jì)

按照EEMUA190標(biāo)準(zhǔn)要求，覆土子彈罐直徑不應(yīng)超過(guò)8 m，容積不應(yīng)超過(guò)3 500 m3.罐體長(zhǎng)度與罐體直徑之比不應(yīng)超過(guò)8，否則決定罐體厚度的載荷將不是介質(zhì)內(nèi)壓或者覆土外壓，而是彎曲應(yīng)力和摩擦力，這樣的設(shè)計(jì)是不經(jīng)濟(jì)的.

根據(jù)以上要求可以選取罐體內(nèi)直徑D=8 m，筒體段長(zhǎng)度L=55 m，罐體總長(zhǎng)度63 m.封頭采用半球形封頭，計(jì)算可知罐體的公稱容積為3 033 m3，具體的覆土子彈罐主體尺寸結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 LPG覆土子彈罐主體尺寸簡(jiǎn)圖

根據(jù)罐體內(nèi)壓，按照ASME Ⅷ-2規(guī)范初步確定殼體壁厚.另外，依據(jù)EEMUA190標(biāo)準(zhǔn)的要求，圓柱殼體的厚度與直徑之比不應(yīng)小于1/400.外徑與內(nèi)徑之比不應(yīng)大于1.3.如果采用半球形封頭，封頭厚度不應(yīng)小于12 mm，且封頭厚度與容器直徑之比應(yīng)該在0.002至0.16之間,計(jì)算筒體壁厚如下：

(1)

封頭厚度計(jì)算如下：

(2)

其中:P為計(jì)算壓力，包括了設(shè)計(jì)內(nèi)壓和介質(zhì)靜壓力，SE為設(shè)備應(yīng)用材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力.考慮腐蝕裕量3 mm，選取筒體壁厚為47 mm，半球形封頭厚度為30 mm.

依據(jù)EEMUA190標(biāo)準(zhǔn)的要求，由于受到覆土壓力和介質(zhì)負(fù)壓的影響，對(duì)于直徑超過(guò)3.5 m的覆土子彈罐，應(yīng)該在內(nèi)部設(shè)置加強(qiáng)筋.加強(qiáng)筋一般選取T型筋，最大間距取決于殼體的周向屈曲應(yīng)力，加強(qiáng)筋的尺寸取決于罐體所受載荷和加強(qiáng)筋的間距[5-6].從經(jīng)濟(jì)角度考慮，加強(qiáng)筋可以選取與筒體同樣的材料、同樣的厚度.加強(qiáng)筋的間距與殼體直徑之比應(yīng)該在1∶2到1∶1之間.按照以上要求，可以選取加強(qiáng)筋間距為l=D/2，即l=4 m.加強(qiáng)筋的初步尺寸計(jì)算公式為:

腹板高度=1.1×D/10=0.88 m.

(3)

翼板寬度=D/10=0.8 m.

(4)

3 載荷分析

依據(jù)EEMUA190標(biāo)準(zhǔn)，覆土子彈罐承受設(shè)備凈重、介質(zhì)重量、介質(zhì)內(nèi)壓、介質(zhì)負(fù)壓、覆土壓力等10種外部載荷，根據(jù)附錄A的方法計(jì)算，結(jié)果如表3所列.

表3 LPG覆土子彈罐載荷計(jì)算

4 依據(jù)EEMUA190附錄A應(yīng)力計(jì)算

依據(jù)EEMUA190附錄A和第3部分得到的載荷數(shù)據(jù)，計(jì)算可得罐體殼體和T型筋的應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如表4所列.

表4 殼體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

選取3組T型筋，計(jì)算其應(yīng)力結(jié)果如表5所列.由表5的計(jì)算結(jié)果可知，原尺寸T型筋應(yīng)力水平較低，按照EEMUA190確定的T型筋初步設(shè)計(jì)尺寸是偏保守的，按照EEMUA190附錄A經(jīng)過(guò)多次計(jì)算和校核，可以確定T型筋最終尺寸為腹板高度0.75 m，翼板寬度0.7 m.

表5 3組T型筋尺寸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

5 依據(jù)ASME Ⅷ-2規(guī)范進(jìn)行外壓穩(wěn)定性計(jì)算

依據(jù)ASME Ⅷ-2規(guī)范對(duì)罐體在外壓下的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)構(gòu)許用外壓.加筋圓柱殼間距4 m時(shí)，許用外壓0.77 MPa，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)外壓0.1 MPa.選擇大尺寸的T型筋以及設(shè)計(jì)T型筋間距為D/2，主要是為了承受罐頂覆土載荷和罐底的支撐載荷.如果罐體只承受罐內(nèi)真空負(fù)壓0.1 MPa，只需在罐體中部設(shè)置一個(gè)T型筋就可以了.依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)中的方法，計(jì)算出多個(gè)T型筋間距下的罐體許用外壓值，T型筋間距與罐體許用外壓的關(guān)系如圖3所示.

圖3 T型筋間距L與罐體許用外壓Pa的關(guān)系

6 仿真分析

LPG覆土子彈罐的受力情況不同于一般的壓力容器.罐體外壁受到頂部覆土的壓力和底部沙床基礎(chǔ)的支撐壓力，而側(cè)面的壓力幾乎為零，這就造成罐體有一個(gè)被“壓扁”的趨勢(shì).LPG覆土子彈罐的T型筋尺寸遠(yuǎn)大于一般真空外壓容器的T型筋尺寸.T型筋主要起到支撐罐體不被壓扁的作用，局部位置有較大的彎曲應(yīng)力.下面采用ANSYS有限元軟件，對(duì)臥式3 000 m3LPG覆土子彈罐進(jìn)行建模和加載，并對(duì)各工況進(jìn)行計(jì)算分析并討論.

6.1 建立有限元模型

LPG覆土子彈罐的殼體和加強(qiáng)筋是中心軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在軸向方向受力不均勻，采用實(shí)體單元(solid186)建立三維模型(見(jiàn)圖4(a))，殼體厚度方向至少劃分兩層單元.三維模型整體網(wǎng)格劃分如圖4(b)所示，筒體與加強(qiáng)筋連接處的局部網(wǎng)格劃分如圖4(c)所示，其中內(nèi)壁和外壁均考慮1.5 mm的腐蝕裕量.

(a)有限元實(shí)體模型 (b)整體網(wǎng)格劃分 (c)局部網(wǎng)格劃分

6.2 載荷組合工況

對(duì)于覆土子彈罐整體結(jié)構(gòu)，需要承受如表3中的多種載荷，應(yīng)根據(jù)ASME Ⅷ-2 表5.3進(jìn)行載荷組合工況的計(jì)算.考慮到設(shè)備實(shí)際承受載荷的情況[7]，以及設(shè)計(jì)計(jì)算工作量的優(yōu)化，對(duì)載荷組合工況進(jìn)行合理合并或刪減.覆土子彈罐整體結(jié)構(gòu)需要考慮的載荷組合工況如表6所列.

表6 覆土子彈罐整體結(jié)構(gòu)計(jì)算需考慮的載荷組合工況

6.3 各載荷組合工況的有限元分析計(jì)算

沙床單元和罐體單元接觸位置采用接觸單元模擬[8].罐體內(nèi)壁設(shè)計(jì)壓力載荷采用等效壓力處理.對(duì)于工況1和工況2，根據(jù)結(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱性,可以選取罐體的1/2作為力學(xué)分析模型.工況3有側(cè)向地震載荷，需要用完整模型進(jìn)行計(jì)算.工況4和工況5是外壓載荷工況，設(shè)備整體應(yīng)力強(qiáng)度較低，主要考慮外壓穩(wěn)定性問(wèn)題.

罐體內(nèi)壁施加介質(zhì)等效壓力載荷(見(jiàn)圖5).頂部覆土載荷根據(jù)EEMUA190附錄A的計(jì)算公式，施加罐體外壁上的等效載荷(見(jiàn)圖6).地震載荷施加等效慣性加速度載荷.LPG覆土子彈各工況的第四強(qiáng)度應(yīng)力和外壓屈曲模態(tài)云圖如圖7-圖11所示.

圖5 內(nèi)部介質(zhì)等效壓力載荷

圖6 施加覆土等效壓力載荷

圖7 工況1整體結(jié)構(gòu)第四強(qiáng)度應(yīng)力云圖

圖8 工況2整體結(jié)構(gòu)第四強(qiáng)度應(yīng)力云圖

圖9 工況3整體結(jié)構(gòu)第四強(qiáng)度應(yīng)力云圖

圖10 工況4整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)

圖11 工況5整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)

從各工況的分析結(jié)果中可以看到，由于部分工況罐體和T型筋的局部高應(yīng)力區(qū)域超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，因此對(duì)于分析設(shè)計(jì)，可以采用應(yīng)力線性化和應(yīng)力分類的方法進(jìn)行校核，部分位置可以按照二次應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定和校核[9-10].依據(jù)ASME Ⅷ-2 5.4款規(guī)定，對(duì)各外壓工況進(jìn)行屈曲分析校核，可滿足規(guī)范要求.

7 結(jié)論

本文基于工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)EEMUA190、ASME Ⅷ-2規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了大型臥式LPG覆土子彈罐的分析設(shè)計(jì)，并應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算分析.該設(shè)計(jì)不僅結(jié)構(gòu)合理、節(jié)省材料，而且安全可靠，具體結(jié)論如下：

(1)依據(jù)ASME Ⅷ-2規(guī)范進(jìn)行柱殼和球形封頭外壓穩(wěn)定性計(jì)算,結(jié)果表明筒體所承受的覆土外壓遠(yuǎn)大于介質(zhì)引起的負(fù)壓，決定了筒體和加強(qiáng)筋的尺寸.操作過(guò)程中由于罐體長(zhǎng)度的改變，使得封頭承受了很大的端部推力，端部覆土的壓力載荷決定了封頭的厚度；

(2)EEMUA190標(biāo)準(zhǔn)附錄A中推薦的加強(qiáng)筋尺寸過(guò)大，可通過(guò)應(yīng)力分析計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省材料；

(3)對(duì)于傳統(tǒng)的鞍座支撐結(jié)構(gòu)的臥式儲(chǔ)罐，地震載荷對(duì)罐體應(yīng)力的影響非常大，但是對(duì)于覆土子彈罐結(jié)構(gòu)影響較小，說(shuō)明覆土子彈罐的基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)抗震效果更好.