650 m3液態(tài)CO2球罐應(yīng)力分析

張　薇　大慶油田工程有限公司

650 m3液態(tài)CO2球罐應(yīng)力分析

張薇
大慶油田工程有限公司

球形容器廣泛用于存儲(chǔ)液化石油氣、液化天然氣、液態(tài)二氧化碳、壓縮空氣等物料。利用有限元軟件ANSYS對(duì)650 m3液態(tài)CO2球罐的強(qiáng)度及疲勞問(wèn)題進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，支柱與球殼板連接部位是應(yīng)力集中最大部位，即所謂的“a點(diǎn)應(yīng)力”部位，在設(shè)計(jì)該部位時(shí)要盡可能圓滑過(guò)渡；另外該部位的剛性不能過(guò)大。上、下極帶的管口需根據(jù)管口間距，合理地建立單個(gè)或聯(lián)合開(kāi)孔的有限元模型。

球罐；ANSYS軟件；模型；應(yīng)力；疲勞強(qiáng)度

引言

球形容器是重要的存儲(chǔ)設(shè)備，與其他類(lèi)型容器相比，其具有幾何形狀的中心對(duì)稱(chēng)性，因此受力均勻，承載能力強(qiáng)，材料利用率高。該容器廣泛用于存儲(chǔ)液化石油氣、液化天然氣、液態(tài)二氧化碳、壓縮空氣等物料。

利用有限元軟件ANSYS對(duì)650 m3液態(tài)CO2球罐的強(qiáng)度進(jìn)行了分析，求出結(jié)構(gòu)在各工況下的應(yīng)力分布情況，進(jìn)而找出最大應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行疲勞分析。

1　建模

1.1計(jì)算模型

球罐直徑為10 700 mm，采用橘瓣式6支柱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)壓力2.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度-40℃，材料彈性模量E=205 000 MPa，泊松比0.3。球罐的材料性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，循環(huán)次數(shù)計(jì)算見(jiàn)表2。

表1　材料性能數(shù)據(jù)

表2　循環(huán)次數(shù)計(jì)算

1.2有限元模型

取實(shí)體作為分析對(duì)象并進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，由于結(jié)構(gòu)是關(guān)于中心平面對(duì)稱(chēng)的，為減小計(jì)算規(guī)模，取1/2實(shí)體進(jìn)行建模。

球罐本體及支柱結(jié)構(gòu)采用20節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元（SOLID 95）；拉桿采用2節(jié)點(diǎn)桿單元（LINK8），有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1　有限元計(jì)算模型

1.3載荷及邊界條件

位移邊界條件：在XY坐標(biāo)平面（總體笛卡爾坐標(biāo)系，相當(dāng)于球罐對(duì)稱(chēng)面）施加對(duì)稱(chēng)邊界條件；支腿下端DX=DY=DZ=0（總體笛卡爾坐標(biāo)系）。

力邊界條件：分別按自重+計(jì)算壓力、自重+計(jì)算壓力+風(fēng)載、自重+計(jì)算壓力+25%風(fēng)載+地震、壓力試驗(yàn)四種載荷工況施加。

2　應(yīng)力分析結(jié)果

工況①：即操作工況，僅考慮設(shè)計(jì)壓力、液柱靜壓力及重力，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力見(jiàn)圖2。

圖2　工況①結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

工況②：在考慮設(shè)計(jì)壓力、液柱靜壓力及重力同時(shí)，施加650 N/m2風(fēng)載荷，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力見(jiàn)圖3。

圖3　工況②結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

工況③：按地震設(shè)防烈度為7度，地震加速度為0.1g施加水平地震力，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力見(jiàn)圖4。

圖4　工況③結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

工況④：即壓力試驗(yàn)工況，球罐充滿(mǎn)水介質(zhì)，壓力為2.5×1.25=3.13MPa，重力加速度g=9.81m/s2。

圖5　工況④結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

球罐人孔及接管局部結(jié)構(gòu)分析時(shí)考慮到自重、風(fēng)壓和地震載荷對(duì)分析結(jié)果影響甚微，本文分析時(shí)只考慮計(jì)算壓力載荷。

局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大點(diǎn)應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6　DN500+DN50接管結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果

3　疲勞強(qiáng)度評(píng)定

由于本設(shè)備所有接管選用的材料相同，各接管處應(yīng)力最大值位置相似，疲勞評(píng)定用的曲線(xiàn)相同，所以選取1個(gè)應(yīng)力最大點(diǎn)進(jìn)行疲勞評(píng)定。

工作壓力循環(huán)為1.3～2.3 MPa，考慮介質(zhì)液柱靜壓，按1.3～2.41 MPa最保守壓力循環(huán)做疲勞分析。

分析結(jié)果表明：累計(jì)用度系數(shù)=0.033 58＜1.0，即疲勞校核合格。

4　結(jié)論

（1）球罐的整體應(yīng)力分析應(yīng)考慮多種載荷及不同工況，分別建立模型進(jìn)行分析，合理地施加力邊界條件和位移邊界條件。

（2）支柱與球殼板連接部位是應(yīng)力集中最大部位，即所謂的“a點(diǎn)應(yīng)力”部位，在設(shè)計(jì)該部位時(shí)要盡可能圓滑過(guò)渡，另外該部位的剛性不能過(guò)大。

（3）上、下極帶的管口需根據(jù)管口間距，合理地建立單個(gè)或聯(lián)合開(kāi)孔的有限元模型。

（4）采用ANSYS有限元軟件對(duì)650 m3液態(tài)CO2球罐進(jìn)行了應(yīng)力分析設(shè)計(jì)，實(shí)際運(yùn)行表明，分析手段和結(jié)果安全可靠。

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.7.012

2015-01-21