不銹鋼304球形壓力容器試壓過程有限元模擬

趙 磊，莫春立，楊 樨(沈陽航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110136)

本文采用有限元的方式進行球罐試壓過程模擬，不僅節(jié)省了大量的人力與物力，還大大減少了試驗的操作時間，縮短了球罐的生產(chǎn)周期[1]。

姜兆春等[2]對多種載荷加載下的不銹鋼球罐進行應(yīng)力分析，驗證了有限元模擬數(shù)據(jù)與實際工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)相符；王永衛(wèi)等[3]對大型球罐水壓試驗進行了有限元計算與實際測量，驗證了有限元模擬水壓試驗過程的可靠性；陳金梅等[4]對低壓天然氣球罐模型進行了抽樣檢驗，驗證了對球罐影響最大的因素是屈服強度與工作壓力；潘新偉等[5]以有限元的方式對球罐人孔進行研究，驗證了凸緣新型補強人孔可進一步確保球罐在法蘭處的可靠性。

本文以50 m3容量的304不銹鋼異丁烷球罐[6]作為研究對象，球殼壁厚為14 mm，球罐充裝系數(shù)為0.9，設(shè)計壓力為0.8 MPa，試驗壓力為1 MPa。通過有限元分析，研究球罐試壓過程應(yīng)力與球罐結(jié)構(gòu)的關(guān)系[7]，進一步的研究是應(yīng)用等效線性法[8]對球罐試壓過程模擬的應(yīng)力進行分析，以此驗證球罐的安全性和可靠性。

1 球罐有限元分析模型

球罐試壓模擬實驗的最終目的是驗證球罐在試驗壓力下是否安全，主要以應(yīng)力線性化的方式判斷，并分析球罐的應(yīng)力集中區(qū)域以及應(yīng)力的主要類型[9-10]，以便在生產(chǎn)中更加側(cè)重易破損區(qū)域的檢驗。

球罐材料為304不銹鋼，其物性參數(shù)由手冊中查得[11]，如表1所示。

表1 不銹鋼304的物性參數(shù)

在試壓有限元模擬過程中，要對球罐進行剖分，從而計算出球罐試壓過程中的應(yīng)力以及應(yīng)力分布。網(wǎng)格單元類型選用靜力學(xué)六面體單元，并在球殼與人孔法蘭處加大種子密度，剖分后單元總數(shù)為296 712，最小單元尺寸為1.73 mm，最大單元尺寸為34.95 mm。計算過程應(yīng)用對稱面，不僅降低了計算時間，還提高了計算精度[12]。本文主要對球罐試壓過程進行研究，球罐固定區(qū)域的選定對有限元模擬結(jié)果的影響較小，故該模型選擇下端法蘭蓋作為固定區(qū)域。圖1是經(jīng)過剖分的球罐試壓模型。

圖1 剖分后的球罐試壓模型

在模型前處理時，根據(jù)試壓條件(試驗壓力為1 MPa)，在考慮球罐自重的情況下，對球罐內(nèi)壁進行壓力加載，球罐的試驗壓力如圖2所示。

圖2 球罐內(nèi)壁的試驗壓力

2 球罐有限元計算結(jié)果與分析

在試壓完全之后，即試驗壓力完全加載之后，球罐的應(yīng)力及應(yīng)力分布結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)有限元模擬結(jié)果，可知球罐的應(yīng)力最大區(qū)域為球殼與人孔法蘭的連接處，應(yīng)力最大值為105 MPa，未超過材料的許用應(yīng)力Sm，即137 MPa，按照壓力容器設(shè)計的ASME規(guī)則[13]，不是從應(yīng)力的分布評判球罐的合格，而是應(yīng)用線性應(yīng)力法進行分析[14]。

圖3 球罐試壓過程中的應(yīng)力分布

3 球罐試壓過程應(yīng)力分析

根據(jù)美國ASME球形壓力容器設(shè)計的應(yīng)力分析標準，對球罐的應(yīng)力區(qū)域進行應(yīng)力線性化處理，以此判斷球罐的安全性能。

分別選擇上、下側(cè)人孔法蘭壁，上、下側(cè)球殼與人孔法蘭連接處以及球殼赤道處位于模型中央的單元進行應(yīng)力線性化處理，根據(jù)應(yīng)力線性化經(jīng)驗表[15]可知球殼與人孔法蘭連接處主要受局部薄膜應(yīng)力PL、彎曲應(yīng)力Pb以及峰值應(yīng)力F的影響；人孔法蘭壁處主要受總體薄膜應(yīng)力Pm、局部薄膜應(yīng)力PL、彎曲應(yīng)力Pb以及峰值應(yīng)力F的影響；球殼處主要受總體薄膜應(yīng)力Pm的影響。繪制出各選定區(qū)域的等效應(yīng)力線，分析計算出的各項應(yīng)力，并對其進行應(yīng)力校核，表2為應(yīng)力強度評定結(jié)果。

表2 球罐試壓過程應(yīng)力強度評定

綜合有限元計算與球罐試壓過程應(yīng)力強度評定結(jié)果可得知，球罐在試壓過程中各項應(yīng)力在相應(yīng)的應(yīng)力校核值之內(nèi)，表明球罐在試壓過程中處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文以有限元的方式對球罐的試壓過程進行了模擬，計算出了在試壓時球罐的應(yīng)力及應(yīng)力分布，根據(jù)模擬結(jié)果可知，球罐的最大應(yīng)力點位于球殼與人孔法蘭的連接處。在球罐生產(chǎn)過程中，若為進一步確保球罐的安全性，可采用回轉(zhuǎn)蓋整體鍛件凸緣補強型人孔。

對球罐各區(qū)域的應(yīng)力進行了應(yīng)力線性化處理，處理后得到的各項應(yīng)力值均在允許范圍之內(nèi)，綜合有限元計算結(jié)果，可以說明該球罐在試壓過程中處于安全狀態(tài)。

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