基于ANSYS的液化石油气球罐的应力分析

2013-06-26胡芳芳

装备制造技术 2013年6期

华平，胡芳芳

（广西壮族自治区特种设备监督检验院，广西南宁530219）

球形容器与其它形状的压力容器相比，由于其几何形状的中心对称性，因此受力最均匀。目前，国内外主要采用球形储罐来储存各种气体和液化气体，在石油、化工、冶金和城市燃气供应等方面得到广泛使用。在这些球罐中,40%用来储存液化石油气(LPG)。液化石油气属于有毒易燃物品,在贮存中存在潜在的危险。随着使用量的增加,诱发事故的可能性也在增加。因此,球罐的强度也成为设计和检验人员特别关注的问题。

本文使用有限元软件ANSYS就1 000 m3LPG球罐的强度问题进行了分析,目的是求出结构在承受载荷以后内应力分布情况,找出最大应力点并求出当量应力值。

1 LPG球罐概况简介

本文以广西某能源有限公司1台1 000 m3液化石油气球罐为例来进行说明。该台液化石油气球罐，由中石油华东勘察设计研究院设计，2004年12月制造，2005年现场组焊安装完毕并投入使用。2008年9月广西特种设备监督检验院对这台球罐进行首次检验，在支柱与球壳板连接角焊缝处发现多处裂纹，裂纹经打磨后消除。2011年9月，广西特种设备监督检验院按期对这两台球罐再次进行了全面检验，发现支柱与球壳板连接部位角焊缝普遍又有裂纹出现。球罐各参数如表1和表2所示。

表1 球罐设计及几何参数

表2 球罐主要强度参数

2 模型的建立与求解

2.1 选取有限元模型单元

本文采用ANSYS软件建立球罐模型，由于罐壁厚度远远小于长度和内径，故可以将其视为板壳问题，采用壳单元。ANSYS中的壳单元用来模拟一维尺寸（厚度）远小于另外两维尺寸，且沿厚度方向的应力可以忽略的结构。

2.2 建立有限元模型

球罐应力分析模型的选取要考虑产生较高应力的部位，如球罐的大开孔、人孔、球罐与支柱连接处，要分析载荷分布及结构的对称性。球罐整体结构如图1所示。本文不考虑动载荷的特殊设计，利用球罐静载荷的对称性，建立较为简单的球罐应力分析模型。该球罐有10个支柱，可以截取整个结构的1/20，使模型中包括半个支柱，如图2和图3所示。

图1 球罐结构简图

图2 球罐模型俯视图

图3 球罐模型截取图

由于ANSYS没有量纲识别功能，本文在建立模型的过程中，质量、长度和时间的单位分别为kg、m和s，输出结果的量纲单位是它们的组合。输入模型的各个几何参数后，再创建各种材料，如定义材料的密度、弹性模量、泊松比等量值。

2.3 划分有限元网格

由于支柱和球壳的结合处的结构较为复杂，这样的结构通常都划分为四面体网格。运用自动网格划分功能，同时结合手动网格调整，得到了如下图的网格划分，如图4和图5所示。

图4 模型网格划分

图5 球壳与支柱连接处网格放大图

2.4 组合工况选取

根据球罐实际承载情况及球罐设计标准要求,并且考虑到本球罐位于广西，本次分析中忽略掉雪载荷及地震载荷。

在模型构建完毕接下来的加载中只考虑以下工况组合：自重+内压力+液注静压力+风压力。

2.5 加载与求解

加载过程按如下步聚进行：

首先，将支柱下端的三个平动自由度和三个转动自由度约束住；其次，在对称面上施加对称边界条件；然后，依次施加自重载荷(通过输入密度及重力加速度实现)、内压力载荷(按设计压力施加到内表面)、液柱静压力载荷(通过输入液体密度液面高度及相应斜率按梯度施加)、风压力载荷(平均施加在外表面)。最后，进行求解,可以得到各种应力云图和位移云图。如图6、图7、图8所示。