分析設(shè)計(jì)法在小型高壓球罐設(shè)計(jì)上的應(yīng)用.doc

分析設(shè)計(jì)法在小型高壓球罐設(shè)計(jì)上的應(yīng)用球形儲(chǔ)罐作為壓力容器的一種高效、經(jīng)濟(jì)的貯存容器，素來(lái)有大容量、高危害，制造難度大的特點(diǎn)，為廣大工程師們所關(guān)注。然而，對(duì)于小型高壓球罐（50m3）不僅超出常規(guī)設(shè)計(jì)的范疇，其設(shè)計(jì)與制造難度也加大，在實(shí)踐中也鮮有應(yīng)用。本文依據(jù)工程實(shí)例，詳細(xì)闡述了對(duì)一盛裝天然氣的小型高壓球形儲(chǔ)罐（10m3）進(jìn)行應(yīng)力分析，并依據(jù) JB4732-95 ，評(píng)定設(shè)備的安全性。 1 前言 球形儲(chǔ)罐，顧名思義，外形呈球狀，主要用于存儲(chǔ)與運(yùn)輸各種氣液或液化氣體的一種有效、經(jīng)濟(jì)的壓力容器，在化工、石油等領(lǐng)域大量應(yīng)用。在同樣壁厚條件下，與其它形狀的容器相比，其受力均勻，承載能力高，能極大的節(jié)約材料成本。 依據(jù)球罐自身的特點(diǎn)，在某天然氣輸送項(xiàng)目中，有一天然氣流計(jì)量用貯存容器（10m3），采用球形儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)，出于設(shè)計(jì)條件對(duì)設(shè)備自重有嚴(yán)格限制，要求設(shè)計(jì)重量最小。由于此球罐設(shè)備容積（50m3）超出GB12337-1998鋼制球罐的范疇，并且為更合理地優(yōu)化設(shè)計(jì)，故設(shè)備采用JB4732-1995鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 2 球罐設(shè)計(jì)參數(shù)及載荷 2.1 球罐設(shè)計(jì)參數(shù) 球罐設(shè)計(jì)規(guī)范：JB4732-1995鋼制壓力容器一分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)條件和主要參數(shù)如表1所示： 2.2 球罐選材 在選材方面，板材選用球殼用的鋼板球罐低溫用高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼板07MnNiMoVDR；球罐承壓鍛件用10Ni3MoVD鍛件。上述材料均經(jīng)安全注冊(cè)并通過(guò)“鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)“的技術(shù)評(píng)審。球罐用材的化學(xué)成份與材料屬性，如下表25所示： 2.3 球罐結(jié)構(gòu) 球罐結(jié)構(gòu)，主要包括球殼板與以下的七個(gè)管口，以及設(shè)備裙座。裙座上兩側(cè)分別設(shè)有方形人孔(450450)，供設(shè)備安裝檢修用。為保證設(shè)備安全性，球殼開(kāi)孔采用整體雙錐段鍛件補(bǔ)強(qiáng)，接管鍛件與球殼板的連接采用對(duì)接形式，以滿足100%射線檢測(cè)要求。球殼板扣除了材料的腐蝕裕量與成形減薄量，計(jì)算厚度取29.5mm。 球罐主要的結(jié)構(gòu)與尺寸，如下述圖表所示： 3 有限元模型 為保證球罐受力結(jié)構(gòu)的完整性，本分析從整體角度出發(fā)，應(yīng)用大型有限元通用軟件ANSYS軟件，采用SOLID95實(shí)體單元，建立有限元三維立體全模型。 SOLID95是20節(jié)點(diǎn)高階單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)平動(dòng)自由度(X,Y,Z方向)，能夠容許一定的不規(guī)則形狀，且更好的保證計(jì)算精度，對(duì)偏移形狀保持良好的兼容性，適合模擬帶曲線邊界的模型。 有限元模型如圖34所示。其中，單元數(shù)量：159108，節(jié)點(diǎn)數(shù)量：732617。 4 有限元邊界條件 4.1 設(shè)計(jì)載荷及計(jì)算工況 本球罐分析主要考慮以下載荷：（1）壓力；（2）球罐自重。 對(duì)于球罐的整體分析應(yīng)考慮以下幾種載荷組合工況，并對(duì)球罐的最危險(xiǎn)工況的應(yīng)力分平進(jìn)行評(píng)定：（1）內(nèi)壓；（2）自重；（3）自重+內(nèi)壓（組合工況）。 注：由于設(shè)備安裝與運(yùn)行均在室內(nèi)，無(wú)保溫、無(wú)梯子平臺(tái)，并且球罐的體形較小，相對(duì)重量較輕，因此忽略風(fēng)載荷、雪載荷與地震載荷的影響；并且，根據(jù)管道條件，球罐管口無(wú)機(jī)械外載。 4.2 內(nèi)壓 在球殼與接管內(nèi)壁表面，施加壓力載荷(10.0MPa)。同時(shí)，為保證設(shè)備內(nèi)壓力系的平衡，在管口端部施加內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向平衡壓力： 其中，pi為設(shè)備內(nèi)壓，MPa；Di：管口內(nèi)徑，mm；Do：管口外徑，mm。 加載效果如圖5所示。 4.3 球罐自重 球罐自重，指球罐的操作質(zhì)量，包括球殼、接管、裙座、物料及球罐預(yù)焊接等其它附件的重量。有限元模型中，球罐自重載荷，經(jīng)計(jì)算當(dāng)量成材料的等效密度(=m/V)，以慣性載荷的形式在加速度場(chǎng)中轉(zhuǎn)換成單元體積力(G=mg)的方式，加載在整個(gè)球殼單元上。 其中，g：重力加速度，取9.81m/s2；m：球罐自重，取8500kg；V：整個(gè)球殼單元的總體積。 4.4 位移邊界 在球殼裙座下底面，施加豎直軸向與環(huán)向約束。 加載效果如圖6所示： 5 計(jì)算結(jié)果 5.1 應(yīng)力分布 圖7圖9為各計(jì)算工況的分析結(jié)果云圖： 5.2 強(qiáng)度校核 由經(jīng)分析可知，“自重+內(nèi)壓”所產(chǎn)生的組合工況，為設(shè)備的最危險(xiǎn)工況。故球罐的強(qiáng)度校核僅需要對(duì)“自重+內(nèi)壓”工況進(jìn)行評(píng)定即可。在球罐各部分焊縫處，采用各種材料中相應(yīng)設(shè)計(jì)許用應(yīng)力強(qiáng)度的最低值，來(lái)對(duì)設(shè)備強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定。 以下根據(jù)JB4732-1995的規(guī)定，在有限元模型關(guān)鍵區(qū)域，選取危險(xiǎn)路截面徑進(jìn)行應(yīng)力線性化分類(lèi)，然后將各項(xiàng)應(yīng)力按“等安全裕度”原則進(jìn)行評(píng)定。同時(shí)，為簡(jiǎn)化評(píng)定過(guò)程，在本分析中，一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SIV按設(shè)計(jì)工況考慮。 1)應(yīng)力路徑 2)應(yīng)力評(píng)定 注： （1）路徑PATH_01的薄膜應(yīng)力,視為一次總部薄膜應(yīng)力SI，按1.0KSm評(píng)定； （2）其它路徑的薄膜應(yīng)力,視為一次局部薄膜應(yīng)力SII，按1.5KSm評(píng)定； （3）所有路徑的膜+彎應(yīng)力,視為二次應(yīng)力SIV，按3.0Sm評(píng)定； （4）路徑PATH_01的位置：位于球殼板截面處； （5）路徑PATH_02PATH_04的位置：管口DN500處； （6）路徑PATH_05PATH_07的位置：管口DN100處； （7）路徑PATH_08PATH_10的位置：管口DN25(600#)處； （8）路徑PATH_11PATH_12的位置：裙座與球殼板連接處。 6 結(jié)論 1)經(jīng)分析后可見(jiàn)，此球罐整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布均勻，各項(xiàng)應(yīng)力水平均控制在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求； 2)通過(guò)內(nèi)壓與自重工況的結(jié)果對(duì)比可知，球罐的自重所產(chǎn)生的應(yīng)力水平，遠(yuǎn)低于其內(nèi)壓所產(chǎn)生的應(yīng)力水平。因此，在此分析中，自重載荷對(duì)本球罐的影響在工程上可忽略不計(jì)； 3)本球罐分析，基于JB47