分析設計法在小型高壓球罐設計上的應用.doc

分析設計法在小型高壓球罐設計上的應用球形儲罐作為壓力容器的一種高效、經濟的貯存容器，素來有大容量、高危害，制造難度大的特點，為廣大工程師們所關注。然而，對于小型高壓球罐（50m3）不僅超出常規(guī)設計的范疇，其設計與制造難度也加大，在實踐中也鮮有應用。本文依據工程實例，詳細闡述了對一盛裝天然氣的小型高壓球形儲罐（10m3）進行應力分析，并依據 JB4732-95 ，評定設備的安全性。 1 前言 球形儲罐，顧名思義，外形呈球狀，主要用于存儲與運輸各種氣液或液化氣體的一種有效、經濟的壓力容器，在化工、石油等領域大量應用。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。 依據球罐自身的特點，在某天然氣輸送項目中，有一天然氣流計量用貯存容器（10m3），采用球形儲罐結構，出于設計條件對設備自重有嚴格限制，要求設計重量最小。由于此球罐設備容積（50m3）超出GB12337-1998鋼制球罐的范疇，并且為更合理地優(yōu)化設計，故設備采用JB4732-1995鋼制壓力容器-分析設計標準進行設計。 2 球罐設計參數(shù)及載荷 2.1 球罐設計參數(shù) 球罐設計規(guī)范：JB4732-1995鋼制壓力容器一分析設計標準，其設計條件和主要參數(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度調質鋼板07MnNiMoVDR；球罐承壓鍛件用10Ni3MoVD鍛件。上述材料均經安全注冊并通過“鍋爐壓力容器標準化技術委員會“的技術評審。球罐用材的化學成份與材料屬性，如下表25所示： 2.3 球罐結構 球罐結構，主要包括球殼板與以下的七個管口，以及設備裙座。裙座上兩側分別設有方形人孔(450450)，供設備安裝檢修用。為保證設備安全性，球殼開孔采用整體雙錐段鍛件補強，接管鍛件與球殼板的連接采用對接形式，以滿足100%射線檢測要求。球殼板扣除了材料的腐蝕裕量與成形減薄量，計算厚度取29.5mm。 球罐主要的結構與尺寸，如下述圖表所示： 3 有限元模型 為保證球罐受力結構的完整性，本分析從整體角度出發(fā)，應用大型有限元通用軟件ANSYS軟件，采用SOLID95實體單元，建立有限元三維立體全模型。 SOLID95是20節(jié)點高階單元，每個節(jié)點有3個平動自由度(X,Y,Z方向)，能夠容許一定的不規(guī)則形狀，且更好的保證計算精度，對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)點數(shù)量：732617。 4 有限元邊界條件 4.1 設計載荷及計算工況 本球罐分析主要考慮以下載荷：（1）壓力；（2）球罐自重。 對于球罐的整體分析應考慮以下幾種載荷組合工況，并對球罐的最危險工況的應力分平進行評定：（1）內壓；（2）自重；（3）自重+內壓（組合工況）。 注：由于設備安裝與運行均在室內，無保溫、無梯子平臺，并且球罐的體形較小，相對重量較輕，因此忽略風載荷、雪載荷與地震載荷的影響；并且，根據管道條件，球罐管口無機械外載。 4.2 內壓 在球殼與接管內壁表面，施加壓力載荷(10.0MPa)。同時，為保證設備內壓力系的平衡，在管口端部施加內壓產生的軸向平衡壓力： 其中，pi為設備內壓，MPa；Di：管口內徑，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，指球罐的操作質量，包括球殼、接管、裙座、物料及球罐預焊接等其它附件的重量。有限元模型中，球罐自重載荷，經計算當量成材料的等效密度(=m/V)，以慣性載荷的形式在加速度場中轉換成單元體積力(G=mg)的方式，加載在整個球殼單元上。 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 計算結果 5.1 應力分布 圖7圖9為各計算工況的分析結果云圖： 5.2 強度校核 由經分析可知，“自重+內壓”所產生的組合工況，為設備的最危險工況。故球罐的強度校核僅需要對“自重+內壓”工況進行評定即可。在球罐各部分焊縫處，采用各種材料中相應設計許用應力強度的最低值，來對設備強度進行評定。 以下根據JB4732-1995的規(guī)定，在有限元模型關鍵區(qū)域，選取危險路截面徑進行應力線性化分類，然后將各項應力按“等安全裕度”原則進行評定。同時，為簡化評定過程，在本分析中，一次加二次應力強度SIV按設計工況考慮。 1)應力路徑 2)應力評定 注： （1）路徑PATH_01的薄膜應力,視為一次總部薄膜應力SI，按1.0KSm評定； （2）其它路徑的薄膜應力,視為一次局部薄膜應力SII，按1.5KSm評定； （3）所有路徑的膜+彎應力,視為二次應力SIV，按3.0Sm評定； （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 結論 1)經分析后可見，此球罐整體結構應力分布均勻，各項應力水平均控制在設計要求的范圍內，滿足強度要求； 2)通過內壓與自重工況的結果對比可知，球罐的自重所產生的應力水平，遠低于其內壓所產生的應力水平。因此，在此分析中，自重載荷對本球罐的影響在工程上可忽略不計； 3)本球罐分析，基于JB47