10000m_3丁烷球罐结构研究及应力分析.docx

10000m3 丁烷球罐结构研究及应力分析李永泰黄金国吴晓红张中清( 合肥通用机械研究所 ,国家压力容器与管道安全工程技术研究中心 ,230031)摘要通过对 10000m3 丁烷球罐不同支柱型式及其与球罐连接结构进行了研究 , 分别对压力试验工况 、操作工况和地震工况的应力进行了有限元分析 ,对我国设计大型重介质球罐提出一些基本原则 。关键词球罐 重介质 有限元分析 地震是一直值得考虑的问题 。支柱和球罐连接型式有 : a型 , b 型 u 形托板的结构型式和 c 型 u 形上支柱连 接板和内筋板结构 , 那一种较好也是有争议的问题 , 本文就对这些问题提出些参考建议 。引言近 几 年 我 国 开 始 建 造 10000m 3 的 液 体 介 质 球 罐 , 因而大型重介质球罐的安全性倍受关注 , 特别是在设防烈度地震及火灾等特殊情况下球罐的安全性1球罐分析参数2表 1 球罐参数表 2 球罐材料及结构参数支 柱 与 壳 体 为 赤 道 正 切 连 接 , 采 用 标 准 :gb 12337 - 1998钢制球形储罐和 j b 4732 - 95钢 制压力容器分析设计标准。构重力 、液压介质重力和试验压力的作用 , 球壳上极点压力 0. 99 m pa , 球壳下点压力 1. 253m pa 。三维 有 限 元 分 析 得 出 : 第 三 应 力 强 度 最 大 值 477. 425m pa , 位置在支柱与球壳连接处下部球壳内壁 , 按一 次应力考虑 ,球壳最大应力不满足强度要求 。支柱上球罐连接结构的有限元分析33. 1 a 型支柱球罐( 1) 液压试验工况由于结构和受力的对称性 , 不考虑拉杆的影响 ,可取一台球罐的二十八分之一作为分析模型 , 受结端内侧轴向应力 -365. 844 m pa , 下端外侧轴向应力 - 246. 447 m pa , 支柱应力不满足强度和稳定性要求 。球壳材料w el - t fn 610c f球壳许用应力 m pa203球壳 厚度 m m上极31上支柱厚度 m m15上温带32下支柱厚度 m m16赤道带33拉杆直径 m m90下温带上支柱屈服应力 m pa490下极下支柱屈服应力 m pa345上支柱材料w el - t fn 610c f下支柱许用应力m pa230下支柱材料16m n r拉杆屈服应力 m pa275拉杆材料16m n 锻拉杆许用应力 m pa183. 7操作压力 m pa0. 65支柱内径 m m1000球壳腐蚀裕度 m m1. 5设计压力 m pa0. 79支柱高度 m m15500拉杆腐蚀裕度 m m3操作温度 - 1050支柱个数14基本风压 n / m2725设计温度 50操作介质丁烷基本雪压 n / m20容积 m 310079介质密度 kg / m 3600地震烈度7近震公称容积 m 310000充装系数0. 9场地土类别i i i球壳内径 m m26800球壳焊缝接头系数1地区类b12 化工设备与 管 道第 40 卷( 2) 球罐设计工况由于结构和受力的对称性 ,9. 81m / s 2 , 地震水平方向加速度a = 0. 0. 3925m /s 2同样取一台球罐的合成为斜向重力 ,考虑介质设计压力 0. 79m pa ,球壳内壁受上方 ( 略斜) 压力 0. 79m pa , 下方 ( 略斜)0. 9169m pa 。地震工况三维有限元分析得出 :第三应 力强度等效应力值最大值 369. 7m pa ,位置在震向侧 支 柱 与 下 耳 板 连 接 处 ; 球 壳 上 最 大 应 力 值297. 64m pa , 位置在震向侧支柱与球壳连接相关线处球壳内壁 , 按一次应力考虑 , 球壳最大应力满足强 度要求 。支柱最大应力是 ,震向前支柱上端内侧最大 轴向压应力 249. 212m pa ,下端外侧最大轴向压应力218. 903m pa ,支柱应力满足强度和稳定性要求 。3. 3 c 型支柱球罐( 1) 液压试验工况三 维 有 限 元 分 析 得 出 : 第 三 应 力 强 度 最 大 值432. 167m pa , 位置在支柱内筋板上端与上支柱 u 形板连接处 ,球壳最大应力值 362. 767 m pa , 位置在 上支柱 u 形板与球壳连接处中下部球壳内壁 。按一次应力考虑 , 球壳最大应力满足强度要求 , 支柱上端二十八分之一作为分析模型 , 受结构重力 、物料介质重力和介质设计压力的作用 , 球壳上极点压力 0. 79m pa ,球壳下点压力 0. 917m pa 。三维有限元分析得 出 :第三应力强度最大值 330. 696 m pa ,位置在支柱与球壳连接处下部球壳内壁 , 按一次应力考虑 , 球壳 最大应力不满足强度要求 。支柱上端内侧轴向应力- 233. 817 m pa ,下端外侧轴向应力 - 127. 24 m pa ,支柱应力满足强度和稳定性要求 。( 3) 地震工况 因液压试验工况和设计工况球壳最大应力不满足强度要求 ,故不再进行地震工况的应力分析 。3. 2 b 型支柱球罐( 1) 液压试验工况三维有限元分析得出 :第 三 应 力 强 度 最 大 值403. 961 m pa ,位置在 u 形托板与支柱连接处 ;球壳最大应力值 376. 78 m pa ,位置在支柱与球壳连接处 下部 u 形托板上端球壳内壁 , 按一次应力考虑 , 球 壳最大应力满足强度要求 。支柱上端内侧轴向应力- 298. 508m pa , 下端外侧轴向应力 - 253. 199m pa ,内侧轴向应力 -234. 231 m pa , 下端外侧轴向应力- 274. 151 m pa , 下支柱上端应力满足强度和稳定性要求 ,下端应力不满足强度和稳定性要求 。( 2) 设计工况三维有限元分析得出 : 第三应力强度应力球壳 最大值 257. 16m pa , 位置在上支柱 u 形板与球壳连 接处中下部球壳内壁 。按一次应力考虑 ,球壳最大应 力 满 足 强 度 要 求 , 支 柱 上 端 内 侧 轴 向 应 力 -147. 349m pa , 下端外侧轴向应力 - 165. 604m pa , 下支柱应力满足强度和稳定性要求 。( 3) 地震工况三维有限元分析得出 : 第三应力强度等效应力 最大值 360. 489 m pa , 位置在震向前支柱 u 形板与 内筋板连接处 , 球壳最大应力值 332. 213 m pa , 位置在震向侧支柱连接板端部与球壳连接处球壳内壁 。 按一次应力考虑 ,球壳最大应力满足强度要求 。支柱 最 大 应 力 是 , 震 向 前 下 支 柱 上 端 内 侧 轴 向 应 力180. 79m pa , 下端外侧轴向应力 237. 65m pa , 下支 柱上端应力满足强度和稳定性要求 , 下端应力不满足强度和稳定性要求 。下支柱上端应力满足强度和稳定性要求 ,不满足强度和稳定性要求 。( 2) 设计工况下端应力三维有限元分析得出 : 第 三 应 力 强 度 最 大 值266. 752 m pa , 位置在支柱与球壳连接处下部 u 形 托板上端球壳内壁 , 按一次应力考虑 , 球壳最大应力不满足强度要求 。支柱上端内侧轴向应力 - 188. 07m pa , 下端外侧轴向应力 - 131. 798 m pa , 支柱应力 满足强度和稳定性要求 。( 3) 地震工况由结构和受力对称性 ,取球罐整体结构的二分之一 , 只考虑受拉拉杆 , 不考虑受压拉杆 , 沿地震力方向两支柱对称面切开 , 取球罐整体结构的一半作 为分析模型 。位移边界条件 ,支柱下端截面约束了三 个方向的所有位移 , 两支柱对称面 (对称边界条件) 约束了法向位移 。考虑结构重力和介质重力及水平地震载荷 。地震水平方向加速度a = 0. 0. 3925m / s 2 ,因地震惯性力与重力是共性载荷 , 将地震载荷处理 为 水 平 重 力 分 量 , 铅 垂 方 向 的 重 力 加 速 度 g =结果分析对大型重介质球罐 , 设计压力不是很高 , 重力载42004 年第 4 期13 荷的作用加大 , 10000m 3 丁烷球罐 , 正常操作情况下 ,球罐总重 6600 多吨 ,液压试验情况下 ,球罐总重10600 多吨 。丁烷 50 时的饱和压力为 0. 4m pa ,与 设计压力相差较大 , 因此正常操作情况下 , 球壳应力 强度裕量较大 , 球罐支柱结构的合理设计是大型重 介质球罐设计的关键问题 。a 型支柱与球罐连接下部连接区域较小 , 在结 构和介质重力作用下 , 支柱与球罐连接部位下点 (a 点) 球壳和支柱应力均较大 。按一次应力评定 , 正常 设计工况和液压试验工况 , 球壳应力均不满足强度 要求 ,支柱应力均不满足稳定性要求 。b 型支柱与球罐连接下部连接区域加大 , 比 a 型支柱结构有较大的改进 , 液压试验工况球罐最大 应力下降 21. 2 % , 正常设计工况球罐最大应力下降19. 4 % , 球壳最大应力点的位置由支柱与球壳连接 相关线的下部上移至 u 形托板上端 。支柱最大应力 点的位置由支柱内侧上端下移至 u 形托板下部 , 数值有所减小 , 其应力较大区域有些加大 , 支柱下端应 力有些增加 。地震工况球罐受压力 、重力 、水平地震 载荷的共同作用 , 与正常设计工况相比 , 球罐有水平 方向的位移 , 在震向前 、后支柱引起弯曲变形 , 在震 向侧支柱引起弯曲和扭转变形 , 震向前支柱上端轴向应力增加 32. 1 % , 下端轴向应力增加 66. 1 % , 震 向后支柱轴向应力减小 。震向前支柱帽部位和震向 后支柱 u 形托板部位球壳外壁应力增加 , 震向前支 柱和震向侧支柱与球壳连接相关线球壳内壁应力增 加 。球壳最大应力点在震向侧支柱与球壳连接相关线球壳内壁 ,比正常设计工况加大 11. 5 % 。c 型支柱结构球罐连接下部连接区域较大 , 为 了减小连接板与球壳连接部位的应力 , 应适当减小 连接板的厚度 , 增加设置筋板 , 使上支柱和下支柱的 载荷均匀传递 。改进后 c 型支柱结构球罐 ,在液压试验和正常设计工况下 , 球壳应力和下支柱上端应力 最小 ,下支柱下端应力比 a 型和 b 型支柱偏大 。球壳 最大应力点在上支柱 u 形板与球壳连接相关线中 下部球壳内壁 。地震工况球罐受压力 、重力 、水平地 震载荷的共同作用 , 与正常设计工况相比 , 球罐有水平方向的位移 , 在震向前 、后支柱引起弯曲变形 , 在 震向侧支柱引起弯曲和扭转变形 , 震向前支柱上端轴向应力增加 22. 7 % , 下端轴向应力增加 43. 5 % ,震向后支柱轴向应力减小 。震向前支柱帽部位和震 向后支柱连接板部位球壳外壁应力增加 , 震向前支 柱和震向侧支柱与球壳连接相关线球壳内壁应力增 加 。球壳最大应力点在震向侧支柱连接板端部与球 壳连接处球壳内壁 ,比正常设计工况加大 31. 6 % 。结论( 1) 10000m 3 丁烷球罐属大型重介质球罐 ,丁烷50 时的饱和压力为 0. 4m pa , 远小于设计压力 , 球 壳应力强度裕量较大 , 支柱应力稳定性问题是关键问题 。( 2) 采用 a 型支柱结构球罐 , 按一次应力评定 , 在液压试验和正常设计工况下 , 球壳最大应力已不 满足强度要求 。( 3) 采用 b 型或 c 型支柱结构球罐 (球壳厚度是 支柱厚度的两倍以上) , 在液压试验和正常设计工况 下 , 球壳应力和支柱上端应力 c 型支柱略优于 b 型 支柱 ,支柱下端应力 b 型支柱略优于 c 型支柱 。按一 次应力评定 ,球壳最大应力可满足强度要求 。液压试 验工况 , 两种支柱结构支柱应力均不满足稳定性要 求 。分析计算中支柱的不垂直度和载荷的不均匀没 有考虑 ,建议球罐进行水气混合试验为好 。( 4) 地震工况下 ,球壳应力 b 型支柱优于 c 型支 柱 ,支柱应力 c 型支柱优于 b 型支柱 。按一次应力评 定 ,球壳最大应力可满足强度要求 。b 型支柱应力满 足稳定性要求 , c 型支柱下端应力不满足稳定性要 求 ,设计中取 b 型支柱结构 。( 5) 设防烈度大于等于 8 度的地区不适宜建造