内压作用下煤气柜侧板的应力分析与厚度设计

2014-03-25金志浩

沈阳化工大学学报 2014年1期

金志浩, 李侃

(沈阳化工大学能源与动力工程学院，辽宁沈阳 110142)

曼型煤气柜是1915年由德国曼阿恩(M.A.N)厂制造，外形为正多边形，广泛用于储存高炉煤气与焦炉煤气.煤气柜侧板设置在立柱与立柱之间，每块L型钢上下叠置，在卷边处焊以水平焊缝[1-2]，是煤气柜承受内压的主要部分.姜德进等对正多边形气柜壳体的壁板进行了研究,引入狭长板条假定，按无限长薄板大挠度弯曲理论分析壁板，推导出壁板的变形和内力公式[3]，解决了煤气柜侧板的理论计算问题，但缺少对煤气柜侧板应力分量的分析.本文针对此问题建立有限元模型,提取其整体的垂向应力、环向应力及单块板不同方向的应力进行研究.如果仅对侧板部分建模，约束很难确定，因此,采用整体建模的方式[4]对煤气柜侧板进行分析.

1 建模

1.1 煤气柜的描述

以某50 000 m3气柜为例，煤气柜为正二十边形棱柱体加筋壳体结构(图1所示)，设计压力为0.003 136 MPa，边长为5 900 mm，外接圆直径37 715 mm，内切圆直径37 251 mm，共1 320块侧板，其截面尺寸如图2所示.

图1 煤气柜的整体结构

图2 L型钢截面

有4道抗风环，分别在离地面12 150 mm、23 490 mm、34 830 mm、46 170 mm处.材料Q235-B，弹性模量2.06×105MPa，泊松比0.25.

1.2 简化结构

(l) 建立有限元模型时不考虑外部电梯、外部楼梯、各种煤气放散管、内部升降电梯等附属设施，不考虑通风楼和柜顶板[4].

(2) 活塞的主要作用是实现对煤气的密封并保持煤气压力为常压力.其作用力仅存在于一个很小的范围内，且其产生的影响远比煤气压力等其它荷载对柜体产生的影响要小.因此，在对柜体整体进行有限元分析时，可以不考虑活塞结构的影响[4].

1.3 单元选取及网格划分

单元采用shell63、beam188.shell63 既具有弯曲能力又具有膜力，面内和法向载荷都允许，单元每个节点有6个自由度：x、y、z方向的平动和绕x、y、z轴的转动，单元还包括应力刚化和大变形功能，能很好地模拟实体板的特性.beam188单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响，非常适合于线性、大角度转动、非线性大应变问题[5].应力刚化选项使beam188单元能分析弯曲、横向及扭转稳定性问题(特征值屈曲或用弧长法分析坍塌).梁截面根据实际情况进行自定义(main menu:preprocessor-section-beam-custom sections-write from areas).

侧板采用shell63单元，柜顶桁架、立柱及侧板板肋采用beam188单元.每层抗风环都由20块钢板及周围固定的支架组成，抗风环的钢板采用shell63单元，支架采用beam188单元，抗风环处的简化是把上下侧板中间面的交线设为抗风环截面形状的梁单元，忽略该处侧板的板肋.对煤气柜最下端采用固支约束，侧板、立柱网格划分为100，其他部分网格划分为200.图3为煤气柜整体的有限元模型.这种用侧板板肋和板分开建模的模型，既适合于大型曼型干式煤气柜力学特性分析，又能够解决大型曼型干式煤气柜有限元计算中容量不足的问题.

图3 煤气柜整体模型

2 有限元结果分析

对整体模型施加的内压、重力及约束进行运算，应力强度基于第三强度理论的当量强度，整体的应力云图如图4所示,最大应力为77.727 MPa,最大应力出现在柜顶桁架上.

图4 煤气柜整体应力云图

2.1 沿煤气柜高度的应力分析

通过对煤气柜的整体计算，了解沿高度方向煤气柜的应力、位移变化趋势.以气柜最下面的第1块板(x=2 950 mm，y=0 mm)到最顶端第66块板(x=2 950 mm,y=810 mm)为一条路径(单块板坐标如图5)，取板与板之间的连接处各点，沿气柜高度进行分析.

图5 单块板的局部坐标

图6为侧板结构网格模型图.图7为该路径下气柜垂直方向路径的总应力，图8为该路径下气柜垂直方向路径的总变形量，其变形总体趋势随高度增加而增加，几处变形的突变是由于该处为抗风环，抗风环对其刚度有加强作用.

图6 侧板结构有限元模型

图7 气柜垂直方向路径的总应力

图8 气柜垂直方向路径的总变形量

2.2 煤气柜单块板的受力分析

取离地面第35块板进行具体的分析研究.因为该板在两抗风环中间，避开了抗风环对侧板的影响，而且在气柜整体的中间位置，故取该侧板进行研究.路径A：y=0 mm,x=0～ 5 900 mm(坐标如图5)；路径B：y=405 mm,x=0～ 5 900 mm(坐标如图5).在整体模型中提取第35块板的板面并选择在该板面上的单元进行分析.图9、图10为离地面第35块的应力及变形云图.

图9 第35块板应力分布图

图10 第35块板变形分布图

如图11所示，板的左右两端应力较小，这是由于立柱对板起到了加强作用，加强范围在距离立柱400 mm左右的范围内.如图12所示，侧板下边的变形量比中间小，这是由于侧板的肋对板的上下边起到了一定的约束作用.由此可见，立柱对侧板的强度起到加强作用，而侧板的肋主要对侧板的刚度起到加强作用.

图11 板在设定路径下的应力

图12 板在设定路径下的变形量

图13～图16所示为第35块板A、B路径下的应力分量与位移分量.从两条路径的应力分量可以看出：侧板的主要受力方向为X、Y方向，而且Y方向应力从图上看形状和大小更加接近于总应力图(图11)，Z方向受力与X、Y方向相比非常小，由此可以判定侧板主要受力为Y方向，但X方向的受力也不可忽视.

图13 路径A的应力分量

图14 路径A的位移分量

图15 路径B的应力分量

图16 路径B的位移分量

从两条路径的位移分量可以看出：Z方向的位移最大，与内压方向一致，位移主要由内压引起的；Y方向位移大小其次，与重力方向一致，位移主要由自重引起的.而且Z方向位移从图上看形状和大小更加接近于总变形(图12)，由此可以看出变形主要是由内压引起的.

2.3 煤气柜侧板的厚度设计

对于煤气柜侧板厚度的设计现在仍然没有通用设计规范，因此，对于这部分的研究十分必要.

一般曼型干式煤气柜的储气压力为0.006～0.008 MPa[7].为了使该类型50 000 m3煤气柜既可以满足储气压力的条件，又能减少建造煤气柜钢材的消耗，利用上面ANSYS的整体模型，改变侧壁板厚度(4 mm，5 mm，6 mm)，对煤气柜侧壁板的承压能力进行分析，在相同厚度下每次增加0.001 MPa，直到超过许用应力(侧板材料的许用应力为113 MPa)为止，计算所得煤气柜侧板不同压力不同厚度所受的最大应力如表1所示.根据表1，按最大应力小于许用应力的要求，可以得出不同设计压力下煤气柜侧板所取厚度，即侧板的设计厚度δ1，如表2所示.