裂纹缺陷对液化气球罐强度的影响

梁清香，董双巧，王 赟(太原科技大学应用科学学院，太原 030024)

液化石油气球罐使用数年之后，常常会出现大量的裂纹缺陷，对球罐的安全运行带来严重影响[1]。裂纹缺陷分布在内表面、外表面、柱腿以及接管等球罐中典型位置，其中内表面裂纹占裂纹总数的60%.而内表面裂纹多产生在内表面上下极板、赤道上下环缝、带与带之间的焊缝部位。形状大都是纵向、横向裂纹，局部有树枝状、放射状、星星状裂纹。其中，横向环缝裂纹居多，占球罐内表面裂纹总数的51%[2].长度在3 mm～20 mm之间，深度在1 mm～10 mm之间。刘文涛、陈冰冰等人对裂纹缺陷的数量、位置、尺寸等作了统计并探讨了裂纹的成因[3]。黄齐飞采用磁粉探伤技术对1 000 m3液化石油气球罐进行了无损检测，结合进行试验结果对球罐横向裂纹的产生和扩展原因进行了分析[4]。王泽军和刘宏臣对1 500 m3液化石油气球罐的整体应力做了研究[5]。

本文应用MSC.marc软件，分析1 000 m3液化石油气球罐内表面的裂纹缺陷对球罐的强度影响。研究结果对在役带裂纹缺陷的液化石油气球罐的安全使用和评定具有实际意义。

1 1 000 m3液化石油气球罐几何参数

1 000 m3液化石油气球罐的外形及简化处理参见文献[6]。球罐几何结构参数见表1所示。

表1 球罐几何参数

简化后的模型如图1所示[6]。其中r1=6 186 mm，r2=6 150 mm，r3=250 mm，r4=250 mm.

图1 球罐尺寸

2 裂纹尺寸对球罐的强度影响

建立带裂纹球罐的有限元模型，讨论在球罐内表面裂纹位置及长度改变时等效应力的分布情况。

2.1 横向裂纹

尺寸：球罐属于轴对称，中心对称模型。分别在球罐与Z轴正向成20°-160°，间隔10°的位置创建横向裂纹，长度为12 mm，深度为2 mm，宽度为0.1 mm.共建立15个模型，网格划分见图2.

几何模型建立完成后进行加载。加载内容包括：1)对赤道处和上下人孔处施加位移约束，其中施加的约束为各面的法向约束。2)内压为0.77 MPa.3)重力。

加载完成后对模型进行计算求解，得到最大等效应力数值[8]。如图3所示为裂纹位置与Z轴正向成110°的带裂纹球罐应力云图。裂纹位置不同的最大等效应力数据见表2所示。

图2 球罐网格划分

图3 带裂纹球罐等效应力云图

2.2 纵向裂纹

纵向裂纹的位置与横向裂纹的位置、大小都相同。共建立15个模型，得到最大等效应力数值见表2所示。横向与纵向裂纹最大等效应力对比如图4所示。

表2 不同位置的最大等效应力

图4横向与纵向裂纹最大等效应力对比图

Fig.4Transverseandlongitudinalcracksmaximumstresscomparisonchart

由图4中可知：

(1)裂纹离上下人孔越近，最大等效应力值越小，随着离上下人孔距离增大而增大，当裂纹接近赤道线时，最大等效应力急剧下降，这是由于赤道线附近有支柱(施加了全位移约束)的缘故；

(2)带横向裂纹的球罐最大等效应力比带纵向裂纹的球罐大，即横向裂纹危险。最大等效应力发生部位是在球罐与Z轴正向成110°处的横向裂纹。

2.3 横向不同长度裂纹

由上面分析可知，位于与Z轴正向成110°处的横向裂纹，对球罐的安全使用影响最大，在此位置只改变裂纹长度，共建立8个带裂纹球罐模型，得到最大等效应力数值见表3，裂纹长度与球罐最大应力曲线的关系曲线如图5所示。

表3 不同裂纹长度的最大等效应力

图5裂纹长度与球罐的最大等效应力关系曲线

Fig.5Thecracklengthandthemaximumequivalentstressofsphericaltankrelationcurves

2.4 横向不同深度裂纹

对与Z轴正向成110°处的横向裂纹，只改变裂纹深度，共建立5个带裂纹球罐模型，得到最大等效应力数值见表4，裂纹深度与球罐最大应力曲线的关系曲线如图6所示。

表4 不同裂纹深度的最大等效应力

图6 裂纹深度与球罐的最大等效应力关系曲线

3 结论

对带裂纹球罐的有限元分析结果表明：

(1)在设计压力下，横向裂纹比纵向裂纹对球罐的影响大；

(2)最危险的位置位于距球罐与Z轴正方向成110°处的横向裂纹；

(3)球罐存在横向裂纹时，长度越长，等效应力越小；深度越深，等效应力越大。

参考文献：

[1] 纪宏宸.液化石油气球罐现场再制造技术的研究[D].南京：南京工业大学，2002.

[2] 费东辉.在用球罐的缺陷统计与分析[D].杭州：浙江工业大学，2011.

[3] 刘文涛，陈冰冰，梁力锦，等.在役球罐裂纹缺陷统计与分析[J].轻工机械，2012，30(5)：89-93.

[4] 黄齐飞.一台1 000 m3液化石油气球罐的成因分析及裂纹修复[J].质量技术监督研究，2010，11(5)：38-41.

[5] 王泽军，刘宏臣.1 500 m3液化石油气球罐的强度分析[J].压力容器，2003，20(6)：33-36.

[6] 董双巧，梁清香，王赟.液化石油气球罐裂纹修复补强研究[J].太原科技大学学报，2013，34(5)：390-393.