2 000 m3大型钢制球罐上极板开孔结构的应力强度评定

李 航, 刘 峰, 姚 进, 王靖元, 刘晶洁

（1. 辽宁石油化工大学机械工程学院， 辽宁 抚顺 113001; 2. 辽阳市特种设备监督检验所，辽宁 辽阳 111000; 3. 辽河油田公司特种油开发公司，辽宁 辽阳 124010）

2 000 m3大型钢制球罐上极板开孔结构的应力强度评定

李 航1, 刘 峰1, 姚 进1, 王靖元2, 刘晶洁3

（1. 辽宁石油化工大学机械工程学院， 辽宁 抚顺 113001; 2. 辽阳市特种设备监督检验所，辽宁 辽阳 111000; 3. 辽河油田公司特种油开发公司，辽宁 辽阳 124010）

应用有限元软件对钢制球罐的上极板进行了两种工况下的分析，考虑到上极板的结构特性和承载特性，结构采用 ANSYS 12.1有限元软件中提供的 20节点单元(solid 95)进行建模，施加位移约束和载荷边界条件之后，得到了球罐上极板开孔结构的应力及应变云图，并依据JB 4732-1995《钢制压力容器分析设计标准》，参照GB12337—1998《钢制球形储罐》对其进行了强度评定。计算结果表明，该球罐的上极板结构是可靠的，为后续大型球罐的设计和优化提供了工程实用价值。

钢制球罐；ANSYS有限元分析；应力强度评定

对于大型球罐，在结构的连接处会产生较大的局部应力，在其设计计算时，必须对其进行应力校核，采用公式计算时，由于连接处的受力分析并不十分严密，应力最大点的选择也有一定的主观性，因此本文采用基于塑性失效准则的分析设计方法，找出最大应力点并求得量化值，然后进行评定，以便使设计更加的合理。

本问题求解过程具体主要包括[1]：建立工作文件名和文件标题，定义分析模块，定义单元类型和材料属性，创建几何模型，划分网格，施加位移约束和载荷边界条件，应力分析，划分路径进行强度评定。

1 计算模型数据

该球罐为 2 000 m3乙烯储罐，球壳厚度为 38 mm，计算中考虑了1.5 mm的腐蚀欲量。计算压力的选取按照 JB4732-95的规定，在计算中包括二次应力强度的组合应力强度时，应选用工作载荷进行计算。本次分析中均选用了设计载荷进行计算，这对于分析结果是偏于安全的。

因为该球罐具有安全阀，需要做气密试验，根据TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》的要求，最大允许操作压力定为2.18 MPa，本次分析中计算压力采取最大允许操作压力。球罐的具体参数等如表1-4所示。

2 上极板人孔接管结构力学模型和有限元模型

进行球罐上极板和人孔及接管局部结构有限元分析时考虑到自重、风压和地震载荷对分析结果影响甚微，此次分析在建立相应有限元模型时不考虑风压和地震载荷的影响。根据上极板的结构特性和承载特性，采用的力学模型,边界条件和采用单元如下[2]：位移边界条件：有限元模型中球罐上极板外边缘施加对无摩擦约束边界条件。

有限单元选择：结构采用 ANSYS 12.1有限元软件提供的 20节点称单元(solid 95)。

载荷边界条件：壳体内压和液柱静压力见具体工况，人孔接管边缘施加边界等效压力。

球罐上极板人孔接管结构和划分网格图形如图1和2所示[3]。

表1 球罐的基本设计参数Table 1 The basic design parameters of tank

表2 计算条件Table 2 Calculation conditions

表3 材料性能数据Table 3 Material performance data

表4 分析结构和载荷工况Table 4 The analysis structure and load case

图1 球罐上极板结构模型Fig.1 The upper plate structure model

图2 球罐上极板划分网格模型Fig.2 Mesh model of upper plate

3 应力分析结果

对上极板模型施加各种工况情况下的约束和载荷后，求解并进行结构后处理得到应力和应变云图，从图3、4中可以看出应力强度的最大值以及出现的位置，为后期的此类型的结构的设计和优化提供可参考性的数据资料[4-6]。

图3 应力分析结果-设计工况Fig. 3 Stress analysis-design conditions

从应力云图可以看出，设计工况下，应力强度最大点位于接管与球壳内壁连接内拐角处，最大值达到543.04 MPa；试验工况下，应力强度最大点位于接管与球壳内壁连接内拐角处，最大值达到678.80 MPa。

图4 应力分析结果-试验工况Fig.4 Stress analysis-test conditions

4 应力强度评定

本 论 文 依 据 JB4732-1995， 并 参 照GB12337-1998进行强度评定[7]。应力线性化路径的选取原则是：通过应力强度最大节点，并沿壁厚方向的最短方向设定应力线性化路径；对于相对高应力强度区沿壁厚方向设定路径。本文列出了应力强度最大的路径并进行分析。

（1）设计工况

应力强度最大点位于接管与球壳内壁连接内拐角处，最大应力强度为543 MPa。路径选取应力最大点和危险位置及球壳壁厚方向，强度评定具体如表5所示[8]。

表5 强度评定表Table 5 intensity assessment form

（2）试验工况

应力强度最大点位于接管与球壳内壁连接内拐角处，最大应力强度为678.8 MPa。路径选取应力最大点和危险位置及球壳壁厚方向，强度评定具体如表6所示。

综上所述，各路径的强度评定结果通过[9]，即结构是安全的。

5 结 论

通过利用ANSYS12.1有限元软件对球罐上极板开孔结构进行了应力分析及强度评定，建立了适用于球罐上极板结构分析的有限元模型，通过后处理得到了应力分布变化图，并根据应力分析结果对其进行了强度评定。与常规设计方法相比，采用分析设计法可以取更高的许用应力强度值，即更高的设计应力强度，由于对各处的应力作精确的计算，从而确保了容器使用的安全性。

表6 强度评定表Table 6 Intensity assessment form

［1］余伟炜，高炳军．ANSYS在机械与化工装备中的应用[M]．北京：中国水利水电出版社，2007:209-300．

［2］赵启成．1 0000 m3大型球罐的应力分析与评定[J]．科技和产业，2013,13(4)：122-125．

［3］步琼. 1 5000 m3大型球罐设计与支柱应力分析[D].大庆：东北石油大学，2012.

［4］GB150-1998，钢制压力容器[S]．

［5］JB4732-1995，钢制压力容器分析设计标准[S]．

［6］GB12337-1998，钢制球形储罐[S]．

［7］刘明福．局部应力分析与球罐优化设计[J]．石油化工设备技术，2006，27(1)：6-8．

［8］王永卫．球罐支柱与球壳连接处强度的有限元分析[J]．石油化工设备，2007，6(36)：21-24．

［9］赵石军．球罐支柱与球壳连接处局部应力分析[J]．压力容器，2000，17(5)：34-35．

Stress Intensity Evaluation on Upper Plate Hole Structure of Large Steel Tank With 2000 m3

LI Hang1，LIU Feng1，YAO Jin1，WANG Jing-yuan2，LIU Jing-jie3
(1. School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China; 2. Liaoyang Special Equipment Supervision and Inspection Institute, Liaoning Liaoyang 111000, China; 3. Liaohe Oilfield Company Special Oil Development Branch, Liaoning Liaoyang 124010, China)

Static analysis on upper plate hole of large steel tank under two kinds of working conditions was carried out with the finite element software. Considering the structural properties and bearing characteristics of the upper plate, model of the structure was established by 20-nodes elements (SOLID 95) of ANSYS 12.1 software. After applying displacement constraints and load boundary conditions, the cloud pictures of stress and strain were obtained. And the strength assessment was carried out according to JB 4732-1995 steel pressure vessel analysis and design standards and reference GB12337-1998 steel spherical tanks. The results show that the upper plate structure of the tank is reliable.

Steel tank; Finite element analysis of ANSYS; Stress intensity evaluation

TQ 051

A

1671-0460（2014）12-2546-03

2014-05-13

李航（1990-），男，辽宁盘锦人，辽宁石油化工大学硕士研究生，研究方向：石化设备安全风险与评估。E-mail：187043998@qq.com。

刘峰（1971-），男，教授，研究方向：材料疲劳与断裂、腐蚀与防护技术。E-mail: Liuf20000@163.com。