基于低温液化气体储罐强度分析和结构改进研究

聂增鹏

引言：伴随着世界经济的发展，低温液化气体储存罐在各个领域中被广泛使用包括：医药领域、化工领域、航天航空领域、冶金领域等。液化气体的使用量逐渐增加而且变得大型化，结构的设计显得尤为重要。此论文使用有效元法对一低温液化气体储罐进行强度分析和结构改进研究，对其结构提出有效的改进措施，并针对其储罐封口做出有效的改进。

当前低温液化气体储罐的强度情况主要有以下几种类型：一方面，使用有限元模型对一低温液化气体储存罐进行应力分析，综合了载荷组合工况，其中的载荷有自重、风载荷、外压、内压、运输载荷以及地震载荷。通过分析，可以得知各载荷组合工况下储罐的应力状况及分布，并校准了钢制压力容器分析设计标准，分析得出，假如热载荷存在，这一储罐在连接内外筒之间的拉筋和内外筒体上作用应力强度非常高，已经超过了国家标准使用值，这一储罐的结构设计有不合理的地方，必要进行改进。另一方面，通过改进低温液化气体储罐的结构，使用增加拉板并且把扭转拉筋换成平直拉筋，将储罐内外筒体连接方式变为上端固定，下端该车可滑动式。通过多次对改进后的液化气体储罐进行强度校准及应力分析，证明了在改进过的新结构有效的削弱了热载荷产生的不利影响，而且符合载荷组合工况的校准。最后，此论文对液化气体储罐外筒体下封口的线性及非线性稳定性分析，經过计算和分析发现

一、低温液化气体储罐的结构分析

在传统的液化气体储罐结构中，基本上都存在着强度较低的问题，在改进了其连接方法，将低温液化气体储罐实行内外一体化之后，将原来的相关拉筋的结构进行了改变，新型的方式将拉筋和拉板二者都进行了有效的固定，在下端也是采用的特殊方式进行处理，其处理方式是将套筒的内外不固定，这样改进的目的主要是为了消除热应力。在对低温液化气体储罐进行了改进以后，分析有限元应力以及强度，最后的结果是，在改进后的机构中，每一个部分都是可以完全满足强度要求的。此外，改进后的结构还有如下几个方面的优点：

1.1在新型结构中，重点改进了传统的扭转型拉筋，改进后的拉筋方式主要有两种，一种是平直的拉板，另一种是平直的拉筋，这样的改进有效的降低了拉筋的构筑难度系数，减少了拉筋的加工时间，有效的降低了拉筋的制造成本。

1.2在新结构中，一共采用了八个平直拉晶和八个平直拉板，而在原来的结构中，是采用的是三十二个拉筋，改进后的新结构有效的降低了拉筋的数量，这样一方面节约了大量的拉筋原材料，另一方面也降低了拉筋的构筑时间，减少了拉筋的焊接缺陷等问题。

1.3在新结构中，是采取的是内外套筒的方式进行连接的，这样能有效的使内筒体顺着轴向的方向自如的收缩，能最大限度的降低热荷载所带来的影响，进而提升了低温储罐的综合承载能力。

二、低温液化气体储罐的强度分析

相关的研究结合有限元的方法，对低温液化气体储罐在外筒体下封头受支座反力联合以及受外力等综合作用下，对稳定性的非线性和线性进行有效的分析，最后得出下面的几点结论：

2.1在研究中重点分析了低温液化气体储罐外筒体下，封头所收到的荷载下，并不会产生相关的稳定性破坏。

2.2在经过线性分析以后，得到了轴向力以及临界失稳定性外下情况下，这二者都大于非线性的综合分析结果。

2.3支座的存在，并不会对封头的临界失稳压力带来任何影响。

2.4在封头上，因为其外压发生失稳，以及相应的轴向支座反力产生失稳二者之间是互不影响的，也就是说二者之间都会发生其临界荷载的程度。

2.5在支座上，有没有垫板对封头的临界造成不稳定的外压影响几乎可以忽略不计，但是，垫板能有效的提升封头的临界失稳产生轴向力。

三、结论

在本次研究中，采取了有限元法来对一个低温液化气体储罐进行了强度和应力分析，同时提出了结构更为合理的措施，提升了低温液化气体储罐的综合承载能力，同时，非线性和线性两种方法，对低温液化气体储罐的荷载能力进行了大量研究和分析，得出了下面的结论。

3.1在强度分析方面，重点分析了八种不同的荷载组合，涉及的荷载是非常多的，包括热载荷、外压、内压、地震荷载、风荷载以及运输荷载等等。在经过计算后，得到了不同荷载在低温储罐中的应力分布情况，结合相关的设计标准开展了强度校荷，结果显示，在以前的低温储罐的热荷载的作用下，应力的强度时非常之高的，大大的超越了相应的数值，通过分析后得出，传统的低温储罐在结构方面存在着诸多的不足，需要对结构进行不断的优化。

3.2对原低温储罐的结构做出改进，将原来的扭转拉筋结构进行有效的改变，其上端采取拉筋固定和拉板，下端则采取内外套筒的不固定方式的组合，对优化后的结构进行强度校核和应力进行分析，结果得出，在改进以后的机构中，不同种类的荷载组合都通过最最终的校核。同时，新结构转变了原来扭转拉筋转变为了拉板和平直拉筋，这样最大限度的降低了拉筋的构筑难度系数，减少了加工时间，节约了制造成本，同时减少了拉筋的综合数量，有效的节约了钢材，进而缩短了在施工过程中焊接拉筋的周期，进而降低了出现焊接缺陷的可能以及应力集中现象。

四、总结

在进行了低温液化气体储罐的结构改造和强度分析以后，取得了一些客观的成果，但是，所进行的研究还有很多可以进一步实现改进的地方。包括在封头方面，或者在支座等方面，如何分析这些技术性较为高的课题是未来必须要解决的问题，同时，不同荷载组合之间的稳定性如何进行分析也是一个需要突破的课题，还需要相关的研究人员或者研究结构进一步进行研究和探索。

参考文献

[1]冯小松.应变强化技术在低温储罐轻型化设计中的应用[D].北京化工大学，2012.

[2]张为，戴凌汉，钱才富，陈学东，杨铁成.立式低温储罐的拉带设计[J].压力容器，2012，07：24-27+50.

[3]武小琪.气体类危险货物铁路运输安全技术条件及运输能力分析与研究[D].北京交通大学，2010.

[4]冯小松，钱才富，陈志伟，陈学东，杨铁成. 基于应变强化技术的低温储罐轻量化设计[J].压力容器，2011，11：25-28.

[5]李俊安，李建会，尚仁杰，赵奕程.某冷冻液化气体全容罐泄漏工况下预应力混凝土外罐受力性能分析[A].中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分会预应力结构专业委员会、中国建筑科学研究院.第十六届全国混凝土及预应力混凝土学术会议暨第十二届预应力学术交流会论文集[C].中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分会预应力结构专业委员会、中国建筑科学研究院：，2013：7.

（作者单位：重庆欣雨压力容器制造有限责任公司）