大型钢制矩形常压容器有限元分析设计

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

大型钢制矩形常压容器有限元分析设计

程新宇

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

海上平台大型矩形常压容器常用于淡水、柴油、工艺介质的存储。钢制焊接常压容器的常规设计可依据NB/T 47003.1—2009《钢制焊接常压容器》，但此规范只提供了有限的钢制矩形容器结构型式，限制了钢制矩形容器的结构设计。基于有限元常压矩形容器设计，根据工程实际需要进行了结构设计和三维建模，强度和刚度的分析计算显得更加直观且准确，提高了设计效率。同时对某大型矩形常压容器应用ANSYS/WORKBENCH有限元分析软件的设计计算过程进行了简介。

钢制焊接常压容器； 矩形； ANSYS/WORKBENCH； 分析计算

随着海上油气田开采技术的不断进步，对海上平台自持能力的要求也在不断提高及增加，需要设置大型(或巨型)的常压容器用于淡水、柴油、工艺介质的存储或者缓冲。

矩形常压容器属于平板结构，壁板除承受拉应力作用外，还存在较大的弯曲应力，结构刚度较差。钢制焊接常压矩形容器可以依据NB/T 47003.1—2009《钢制焊接常压容器》中的第8章进行设计计算，规范中列出了矩形容器可采用的7种结构形式，根据容器的体积可按照规范中表8-1选用适合的结构形式，设计计算流程可按照规范中的图8-3进行[1，2]。但此规范限制了矩形容器的结构设计，且对于矩形容器承受集中外载荷的工况无法分析，规范中常规设计的计算过程较为复杂，需要查阅大量的图表经验值。

1 ANSYS/WORKBENCH介绍

ANSYS/WORKBENCH是ANSYS CAD/CAE新的协同环境。在WORKBENCH环境中，工作人员始终面对同一个界面，无需在各种程序界面之间频繁切换，所有研发工具只是这个环境的后台技术，各类研发数据在此平台上交换与共享，该程序包括ANSYS公司提供的各种核心功能，如非线性分析、静力分析、动力分析、疲劳分析、屈曲分析、热及热应力分析、流体分析、电磁分析以及多目标自动优化等功能[6，7]。

2 常压矩形容器富乙二醇缓冲罐有限元分析

2.1设备简介

富乙二醇缓冲罐为大型不锈钢方罐，设计压力为 -2 .0～ 35 kPa(G)，设计温度为110 ℃，试验压力为充满水并加压45 kPa(G)，容器规格(内壁×宽度×高度)为 6 600 mm×6 600 mm×5 500 mm。

容器外部用角钢布置有垂直和水平加强筋，容器内壁用工字钢布置有拉筋。顶板厚度12 mm，侧板和底板厚度14 mm，方罐外部加强筋为型号L80×80×7的角钢，内加强筋为型号120a的工字钢，底座结构梁分别为型号128a 和125a的工字钢。钢板和型钢材料为S31603，屈服强度177 MPa，许用应力118 MPa[2，8]，允许的变形量为18 mm。

2.2三维建模

三维建模的合理性对于有限元分析结果的可靠性及准确性是至关重要的。

通过用原油ETF波动率减去新兴市场ETF波动率，可以得到油价波动中受金融属性以外因素的影响。从图10可以看出，剔除新兴市场波动率之后的原油波动率与原油库存同比的相关性较高，说明油价波动中除金融属性以外的因素导致的波动主要来自商品属性。因此，可定义为：

考虑到常压矩形容器的开孔接管及人孔通过补强后，开孔位置的设计强度大于补强筋的作用。因此，矩形容器可简化为没有开孔的板梁组合的矩形容器物理模型。考虑到矩形容器采用钢板和型钢进行制造，模型中选择了对应的板梁单元进行建模。

钢板及加强筋材料选用S31603，并在Engineering data菜单中设置材料的物理参数[9，10]。

矩形容器的顶板、长侧板、短侧板和底板均采用SHELL181单元进行模拟，角钢及工字钢采用BEAM188单元进行模拟[11]。

物理模型的建立中相关联的单元之间共享拓扑结构，确保物理模型能够真实反映受力及约束情况。首先在DM建模界面中按照设计尺寸建立板壳单元矩形容器，通过草图切分命令得到加强筋的线体，再根据加强筋的设计方案建立线体的截面，得到设计截面的梁单元，最后通过Joint命令将模型中加强筋梁单元关联，这样板梁单元能够真实反映矩形容器的外壁和加强筋的物理模型[12，13]。

建立的矩形容器物理模型剖视图见图1。

图1 矩形容器结构剖视图

2.3网格划分

相对于体单元的网格划分，壳单元和梁单元的网格划分简单且能够得到较好的网格质量，只要控制好网格划分的单元尺寸即可，通过网格划分界面设置网格划分的单元尺寸为0.1 m，畸变因子Skewness平均值为8.4，网格质量满足分析计算要求[14，15]，板梁单元网格单元划分结果见图2。

图2 板梁单元网格单元划分图

2.4边界条件加载

有限元分析的目的是了解模型对外部施加载荷的响应。正确地识别和定义载荷，并有效地实现仿真加载，是运用有限元分析工具的关键一步。模型受到的载荷有内压、外压、静水压、外部集中载荷以及重力。不同的工况，其边界条件加载的组合情况不同。

考虑最苛刻工况条件下的载荷组合情况，工况一为矩形容器满水加压45 kPa试验压力，并加载10 kN集中载荷；工况二为设计压力-2.0 kPa，并加载集中载荷10 kN。

工况一边界条件加载方式为，矩形容器侧壁及顶板加载45 kPa的压力，底板加载100 kPa的压力，加载重力加速度9.8 m/s2，侧板加载静水压5.5 m[7](图3)，顶板加载集中载荷10 kN。图4中白点位置为集中载荷加载的位置。

工况二边界方式为，侧壁及底板加载-2.0 kPa，顶板加载集中载荷10 kN，加载重力加速度9.8 m/s2。

图3 侧板静水压加载

图4 顶板集中载荷加载

2.5有限元计算及受力评定

2.5.1工况一

运行求解处理器对模型求解，得到矩形容器并显示矩形容器外壁壳体第三强度最大切应力云图,见图5。

图5 矩形容器最大切应力云图

从图5中可看出，最大应力数值为153 MPa，出现在容器底部的侧壁相交处，其应力为局部应力集中，局部应力小于3倍的许用应力354 MPa，可满足强度要求。容器的整体应力小于许用应力118 MPa，满足强度设计要求。

通过BEAM TOOL工具中的Maximum Combined Stress命令可以得到梁单元的拉弯组合受力情况，见图6。

图6 内外加强筋应力云图

从图6中可以看出，矩形容器内外加强筋的最大弯曲应力及轴向应力组合应力为205 MPa，其应力为局部应力集中，局部应力小于3倍的许用应力354 MPa，即可满足强度要求。加强筋的整体应力小于许用应力118 MPa，满足强度设计要求。

矩形容器整体变形结果见图7。

图7 矩形容器变形云图

从图7中可以看出，矩形容器最大变形量为7.5 mm，小于允许的变形量18 mm，满足刚度要求。

2.5.2工况二

工况二的加载及求解过程与工况一相似，过程省略。求解结果显示，壳体最大应力值98 MPa，结构梁的最大应力为123 MPa。因此，工况一的外载组合对矩形容器的作用更危险。

3 结语

有限元设计中对于局部应力集中超过材料屈服强度的情况，考虑矩形容器局部微量变形不会发生泄漏及故障。因此，应力集中的评定可以适当放大材料的许用应力。

文中设计的常压矩形容器已经成功应用于海上石油平台的工程实际，使用安全可靠，也验证了文中设计方法的有效性和可靠性。

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(许编)

FiniteElementDesignofRectangularAtmosphericTankBasedonANSYS/WORKBENCH

ChengXin-yu

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300452, China)

Large rectangular atmospheric tank on offshore platform are used in storage of fresh water, diesel oil and process medium usually. Conventional design of steel welded atmospheric pressure vessel is based on NB/T 47003.1—2009SteelWeldedAtmosphericPressureVesselsusually. Limited structural styles for rectangular atmospheric tank of the standard restrict the structural design. For conventional design the calculation and chart is complex. For the finite element design, the structural design and 3D modeling can meet the actual needs of the project. The analysis and calculation is more accurate and more reliable. A finite element design method for rectangular atmospheric tank based on ANSYS/WORKBENCH was introduced.

steel welded atmospheric pressure vessel; rectangular; ANSYS/WORKBENCH; analysis calculation

TQ050.2； TE965

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.01.008

1000-7466(2017)01-0040-04

2016-08-26

程新宇(1979-)，男，天津人，工程师，硕士，主要从事海上石油平台及相关设备的研究及设计工作。