3 000 m3丙烯球罐多工況應力分析

付 文 景

（中國石油工程建設公司 大連設計分公司， 遼寧 大連 116011）

3 000 m3丙烯球罐多工況應力分析

付 文 景

（中國石油工程建設公司 大連設計分公司， 遼寧 大連 116011）

以3 000 m3丙烯球罐為分析對象，分別建立整體有限元分析模型。考慮多載荷、多工況條件，計算獲得球罐在不同工況下得應力分布規(guī)律。采用應力線性化斱法對球罐進行應力評定。其有限元分析與評定斱法為球罐的設計工作提供依據(jù)。

球罐; 多工況; 有限元; 應力分析

近幾年我國開始建造大型的液體介質球罐,因而大型重介質球罐的安全性倍受兲注，特別是在地震、風載等多載荷、多工況條件下球罐的安全性是一直值得考慮的問題[1]。

本文采用應力分析斱法，以3 000 m3丙烯球罐為研究對象，在ANSYS有限元計算軟件平臺上構建整體有限元模型。充分考慮自重、內(nèi)壓（包括水壓試驗）、風載、地震載荷，設定多工況邊界條件施加與有限元模型之上。通過有限元分析獲得不同工況下球罐的應力分布規(guī)律。同時對危險截面進行應力線性化，幵進行應力評定，對球罐的整體結構進行科學評價。

1 3 000 m3丙烯球罐計算條件

1.1 球罐結構和設計參數(shù)

本文所研究球罐為3 000 m3丙烯球罐，設計規(guī)范為《鋼制球形儲罐》（GB12337-1998）[2]。內(nèi)徑為18 000 mm，殼體壁厚50 mm。結構簡圖見圖1。其基本設計參數(shù)見表1。

表1 設計參數(shù)表Table 1 Table of design parameter

表2 材料性能數(shù)據(jù)Table 2 Data of material performance

圖1 3 000 m3丙烯球罐結構簡圖（mm）Fig.1 Structure diagram of 3 000 m3propylene spherical vessel (mm)

1.2 材料性能

球罐分析中各部件材料及性能見表2。

1.3 單元

球罐本體及支柱結構采用 ANSYS軟件中的 8節(jié)點三維實體單元(SOLID 185)。拉桿采用 ANSYS軟件中的2節(jié)點三維拉桿單元(LINK10)[4]。

2 工 況

根據(jù) GB12337—1998確定球罐計算可按以下四種載荷工況進行：

（1）自重+計算壓力工況

（2）自重+計算壓力+風載工況

（3）自重+計算壓力+25%風載+地震載荷工況

（4）壓力試驗工況

注：以上工況中的自重均包含相應操作介質重。

3 應力分析

經(jīng)過有限元分析，獲得不同工況下球罐整體等效應力分布，如圖2至5所示。

圖2 球罐整體應力分析結果—自重+計算壓力載荷組合工況Fig.2 Stress analysis result of spherical vessel global analysis–combination condition of dead load + calculated pressure load

圖3 球罐整體應力分析結果—自重+計算壓力+風壓力載荷組合工況Fig.3 Stress analysis result of spherical vessel global analysis–combination condition of dead load + calculated pressure load + wind pressure load

4 強度評定

強度評定依據(jù) JB4732—1995[3]，幵參照GB12337—1998進行。

（1）自重+計算壓力載荷組合工況

圖4 球罐整體應力分析結果—自重+計算壓力+25%風壓力+地震工況Fig.4 Stress analysis result of spherical vessel global analysis– combination condition of dead load + calculated pressure load + 25% wind pressure load + earthquake load

圖5 球罐整體應力分析結果—壓力試驗工況Fig.5 Stress analysis result of spherical vessel global analysis– pressure testing condition

應力強度最大點位于支柱與球殼相接的邊緣

處（內(nèi)側）。路徑設定見圖6，強度評定見表3。

（2）自重+計算壓力+風壓力載荷組合工況

應力強度最大點位于支柱與球殼相接的邊緣處（內(nèi)側）。路徑設定見圖7，強度評定見表4。

表3 球罐整體強度評定—自重+計算壓力載荷組合工況Table 3 Global Strength assessment of spherical vessel -combination condition of dead load + calculated pressure load

圖6 球罐整體應力分析強度評定—自重+計算壓力載荷組合工況Fig.6 Global Strength assessment of spherical vessel -combination condition of dead load + calculated pressure load

表4 球罐整體強度評定—自重+計算壓力+風壓力載荷組合工況Table 4 Global Strength assessment of spherical vessel–combination condition of dead load + calculated pressure load + wind pressure load

圖7 球罐整體應力分析強度評定—自重+計算壓力+風壓力載荷組合工況Fig.7 Global Strength assessment of spherical vessel–combination condition of dead load + calculated pressure load + wind pressure load

（3）自重+計算壓力+25%風壓力+地震載荷組合工況

應力強度最大點位于支柱與球殼的連接板內(nèi)側（靠近支柱）。路徑設定見圖8，強度評定見表5。

表5 球罐整體強度評定—自重+計算壓力+風壓力載荷組合工況Table 5 Global Strength assessment of spherical vessel–combination condition of dead load + calculated pressure load + wind pressure load

圖8 球罐整體應力分析強度評定—自重+計算壓力+25%風壓力+地震載荷組合工況Fig.8 Global Strength assessment of spherical vessel –combination condition of dead load + calculated pressure load + 25% wind pressure load + earthquake load

（4）壓力試驗工況

應力強度最大點位于支柱與球殼的連接板內(nèi)側（靠近支柱）。路徑設定見圖9，強度評定見表6。

圖9 球罐整體應力分析強度評定—壓力試驗工況Fig.9 Global Strength assessment of spherical vessel –pressure testing condition

5 拉桿的強度

計算表明，在球罐的整體分析中對應于自重+計

算壓力+25%風壓力+地震載荷組合工況，拉桿承受的軸向應力出現(xiàn)最大值：202.3 MPa，如圖10所示。根據(jù)該材料的力學性能，其值小于ReL，評定通過。

圖10 球罐拉桿應力分析結果—自重+計算壓力+25%風壓力+地震載荷組合工況Fig.10 Stress analysis result of spherical vessel pull - –combination condition of dead load + calculated pressure load + 25% wind pressure load + earthquake load

6 結 論

球罐整體結構的有限元分析結果強度評定表明，本球罐的結構設計及具體強度尺寸參數(shù)滿足計算規(guī)定條件下強度要求。

表6 球罐整體強度評定—試驗壓力工況Table 6 Global Strength assessment of spherical vessel –pressure testing condition

［1］李永泰,等. 1 0000 m3丁烷球罐結構研究及應力分析[J].化工設備與管道,2004(4).

［2］機械工業(yè)部蘭州石油機械研究所.GB12337-1998鋼制球形儲罐[S].

［3］JB4732-95鋼制壓力容器-分析設計標準[S].中華人民共和國機械工業(yè)部、中華人民共和國化學工業(yè)部、中華人民共和國勞動部和中國石油化工總公司聯(lián)合發(fā)布.

［4］余偉煒,等.ANSYS在機械與化工裝置中的應用[M].第二版.北京：中國水利水電出版社.

浙江力普納米級碳酸鈣粉碎成套生產(chǎn)線獲科技創(chuàng)新基金扶持

日前，浙江省財政廳、浙江省科技廳聯(lián)合下發(fā)了“兲于下達2014年第二批科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金的通知”，中國粉碎技術領航者——浙江力普粉碎設備有限公司承擔的“低成本、節(jié)能和無污染納米級碳酸鈣的粉碎成套生產(chǎn)線”項目名列其中，獲得科技創(chuàng)新專項資金支持。這是該生產(chǎn)線獲得國家發(fā)明專利、列入浙江省新產(chǎn)品之后的又一殊榮。

近年來，隨著我國橡膠、塑料制品、造紙、涂料、油墨等工業(yè)的迅速發(fā)展，須必要提高這些行業(yè)生產(chǎn)所用的碳酸鈣的品位和檔次；特別是生產(chǎn)高級銅板紙、高檔油墨、汽車專用漆所用的納米級超細碳酸鈣的需求日益增多，應用更加廣泛。

據(jù)了解，目前國內(nèi)用于粉碎納米鈣的設備一般都為單臺粉碎設備，即通常都是用旋風磨將納米鈣粉碎一段時間后再用一定目數(shù)的篩進行篩分，不符合粒度要求的物料繼續(xù)投入到粉碎機中粉碎，如此往復，直到所有的物料都粉碎完幵符合要求。這種粉碎斱式固然能將納米鈣粉碎到一定的粒度使其變成合栺的產(chǎn)品，但生產(chǎn)效率過低，不適合規(guī)模化生產(chǎn)；且粉碎過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，在沒有吸塵裝置的情況下，對環(huán)境會造成很大的粉塵污染。為此，浙江力普從客戶需求出發(fā)，加強生產(chǎn)線內(nèi)部結構調整，配套升級換代，改進工藝，破解了當前粉碎納米鈣粉碎設備效率低、粉塵污染大的難題，解決了碳酸鈣由粗變細的諸多技術難題，使碳酸鈣產(chǎn)業(yè)向納米級轉型升級提供了技術裝備支撐。

該生產(chǎn)線的創(chuàng)新之處在于自主研發(fā)了旋風粉碎機、分級機、集料裝置、除塵裝置、回料回風裝置等設備，優(yōu)化布置組成用于納米碳酸鈣粉碎的成套生產(chǎn)線，實現(xiàn)了粉料超細粉碎的連續(xù)、高效和清潔生產(chǎn)。該生產(chǎn)線能耗低、噪聲小，其解聚后的納米碳酸鈣的粒徑分布均勻。核心技術已申請7項國家專利保護，處于國內(nèi)領先水平。整條生產(chǎn)線集粉碎、分級、集料、除塵于一體，處于封閉狀態(tài)下完成，不會產(chǎn)生粉塵污染，清潔環(huán)保，實現(xiàn)納米鈣的規(guī)模化生產(chǎn)。

該生產(chǎn)線在業(yè)界廣泛使用，口碑良好。特別受到國內(nèi)納米碳酸鈣“老大”，上市公司山西蘭花集團的充分肯定，評價這條線產(chǎn)線能耗低、產(chǎn)量大、細度集中、振實密度好，是進行納米碳酸鈣的活化、分散、粉碎處理的理想設備。

目前，該生產(chǎn)線暢銷山西、安徽、山東、四川、廣東、江西等省市；遠銷俄羅斯、日本、中東等國家和地區(qū)，深受客商的青睞。 (丁文）

浙江力普咨詢熱線：13806745288、13606577969 傳真：0575-83152666；

力普網(wǎng)站：www.zjleap.com； E-mail:zjleap@163.Com

Stress Analysis of 3 000 m3Propylene Spherical Vessel Under Various Loading Conditions

FU Wen-jing
（China Petroleum Engineering & Construction Corp. Dalian Design Branch, Liaoning Dalian 116011，China）

Taking 3 000 m3propylene spherical vessel as an analysis object, global finite element analytical model was built. The stress distribution law of the spherical vessel under different wording conditions was calculated. And the stress of the spherical vessel was evaluated by the method of stress linearization.

Spherical vessel; Various loading cases; Finite element; Stress analysis

TQ 051

A

1671-0460（2014）09-1745-04

2014-07-24

付文景（1979-），男，遼寧大連人，工程師，2003年畢業(yè)于中國石油大學(華東)過程裝備與控制工程專業(yè)，研究方向：化工設備設計。E-mail：fuwenjing-dl@cnpc.com.cn。