（机械工程专业论文）大型液化气球形储罐有限元分析设计.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 随着社会的发展和技术水平的进步，石油化工领域液化气球罐的设计、制造也一直 在向着大型化方向发展。目前设计、制造大型液化气球罐的能力，也往往被看作是用来 衡量各国技术水平和综合国力高低的标准之一。 球罐是一种典型的薄壳压力容器，随着容积的增加，其设计、加工制造、组装及热 处理的难度也随之增大，随着计算机技术应用的不断深入，有限元分析设计已经在工程 上得到广泛应用。采取有限元分析技术可以更加准确、直观地反映非线性应力分布，便 于结构优化处理，使大型球罐的设计更趋合理性。 本课题来源于中国石油庆阳石化公司，2 7 0 万吨年炼油搬迁改造集中加工3 0 0 0 m 3 液化气丙烯球罐设计项目。本文针对球罐设计的特殊性以及其所涉及到的材料选择、制 造、现场组焊以及热处理等方面的技术进行深入分析，提出了切实的解决方案，有限元 分析结论对球罐设计起到指导作用，为大型球罐有限元分析设计奠定了基础。 本文应用a n s y s 8 0 ，手工划分网格，采用多种单元，模拟4 种工况，对球罐进行整 体结构分析，特别对两个大开孔部位进行局部应力分析，采取了最合理的补强方式，从 而在确保其满足强度、稳定性、可靠性的条件下降低球壳壁厚，减少结构自重节省了大 量投资。本文研究结果可以为相关领域大型薄壳结构设计提供有益的参考。 关键词：大型球罐；有限元分析；应力强度评定 大型滚亿气球形储罐霹视诬分橱设诗 f i ni t ee l e m e n ta n a l y s i sd e s i g nf o rl a r g e - s i z el p g s p h e r i c a lt a n k a b s t r a c t w i t ht h es o c i a ld e v e l o p m e n ta n dp r o g r e s so ft e c h n o l o g y ，t h el a r g e s i z es p h e r i c a lt a n k h a sb e e ng r e a ti n c r e a s e di n p e t r o c h e m i c a li n d u s t d , d u r i n gt h ep a s ty e a r s + n o w a d a y s ，t h e c a p a b i l i t yo fl a r g e s i z es p h e r i c a lt a n k sd e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gi sa l w a y sl o o k e da sa m e a s u r eo ft e c h n o l o g ya n dc o m p r e h e n s i v en a t i o n a ls t r e n g t h 。 t h es p h e r i c a lt a n ki so n eo ft h et y p i c a lt h i ns h e l lp r e s s u r ev e s s e l w h i l et h ed i a m e t e ro f s p h e r i c a lt a n ki se n l a r g e d ，t h ed i f f i c u l t yo fd e s i g n i n g ，m a n u f a c t u r i n g ，a s s e m b l i n gw e l d i n g a n dh e a t i n gt r e a t m e n tw i l ；b ei n c r e a s e d ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r 。s c i e n c e ，v i s u a l f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) t e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ne n g i n e e r i n g t h e r e s u l t o ff e ac a ns h o wt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fd i s c o n t i n u o u ss t r u c t u r ea c c u r a t e l y ，w h i c hi sv e r y c o n v e n i e n tf o ro p t i m i z i n gd e s i g n t h i ss u b i e c t 弧f r o m3 0 0 0 m 3p r o p y l e n et a n k sw h i c hi sd e s i g n e df o rt h e2 7 0 xl0 4 t a c r u d e - r e f i n i n gp r o j e c t o fq i n g y a n gp e t r o c h e m i c a lc o m p a n y 强i sp a p e rp r o p o s e da c o r r e s p o n d i n gs p e c i f i c a t i o nb yd e e p l ya n a l y z i n gt ot h er e g u l a t i o no fs p h e r i c a lt a n kd e s i g n i n g a n dm a t e r i a lc h o o s i n ga n da n dm a n u f a c t u r i n gf r o mc h o i c eo fs t e e lm a t e r i a lt oh e a t i n g t r e a t m e n t 。l 氇er e s u l to ff e ai sv e r yi m p o r t a n tt os p h e r i c a lt a n kd e s i g n i n g ，w h i c he s t a b l i s h e d t h ef o u n d a t i o no ff e a d e s i g nf o rl a r g e * s i z es p h e r i c a lt a n k b ys i m u l a t i n gf o u rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw i t hm e a n so fs o f t w a r ea n s y s 8 。0 ，t h es t r e s s d i s t r i b u t i o n + o fu n i t a r ys t r u c t u r eo fs p h e r i c a lt a n ki so b t a i n e d e s p e c i a l l yt h er e i n f o r c e d s t r u c t u r ei so p t i m i z e dw i t ht h er e s u l to ft h ep a r t i a lf e ao ft w ol a r g e s i z eo p e n i n g s a c c o r d i n g 论氆er e s u l to f 氇ef e a ；t h et h i c k n e s so ft h es h e l li sr e d u c e dp r o p e r l y ，s oav a s ts u mo ff u n d s i ss a v e d n ei n v e s t i g a t i o no ft h i sp a p e ri sv e r yb e n e f i tf o rs u b s e q u e n tl p gs p h e r i c a lt a n kd e s i g n k e yw o r d s ：l a r g e - s i z es p h e r i c a lt a n k ；f e a ；s t r e s si n t e n s i t ye v a l u a t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文题目：查塾逝塾姿雯堡鲻至罄塑缒鱼生 作者签名：驾名一日期：毕年l 月主 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究课题和来源 随着科学技术的发展，液化气球罐作为石油化工企业中的一种重要设备，其大型化 趋势越来越明显。近年来，在我国，为了在满足设备使用要求的基础上，能够更好地优 化设计，可视化有限元分析技术逐渐在液化气球罐的设计上得到应用。在中国石油庆阳 石化公司2 7 0 1 0 4 t a 炼油搬迁改造集中加工项目液化气储运罐区单元中，共有3 台 3 0 0 0 m 3 丙烯球罐用来储存来自重油催化裂化装置的丙烯，作为气体分馏装置的原料，该 球罐的设计采用了有限元分析设计对球罐的整体和局部结构进行了优化，使得球罐的应 力水平有所降低，同时从整体上降低了设备投资( 3 台共节省1 9 0 万元) 。 1 2 课题研究的目的和意义 球形储罐( 以下称为“球罐”) 与常用的圆筒形容器相比其优点非常突出：在相同 的容量下球罐所需钢材表面积最小；在直径相同、压力相同条件下，采用同种钢板时， 求观厚度仅为后者的一半；球罐基础简单、占地面积小、受风面积小、外观漂亮，由于 以上原因，使得球罐的应用得到很大的发展，在我国的应用领域非常广泛。例如，在石 油、化工、城市煤气等工业，用来储存液化石油气、液化天然气、天然气、煤气等介质。 尤其是在石油化工企业中，作为用来储存液化石油气( 生产原料、中间产品和成品) 的 关键设备，球罐一直是必不可少的。 近年来，随着社会的进步，各国能源需求大幅上升，石油化工企业的生产也更趋规 模化。相应，液化石油气作为石油炼制的产品之一，其产量也增长很快。由于液化石油 气的特殊性能( 易燃、易爆、易产生湿h ：s 应力腐蚀) ，以及液柱静压力的作用，均增 大了球罐设计、材料选用、制造2 n t 及现场组焊的难度。从某种意义上说，各国所能够 设计、制造大型液化气球罐的能力，也往往被看作是用来衡量该国技术水平和综合国力 高低的标准之一。 从经济成本上来看，在同等容积情况下，增加球罐容积比增加球罐数量更加节约钢 材，随着球罐直径的增加大板幅钢板也得到广泛应用，相应也提高了钢板的利用率。近 几十年来，随着世界各国科学技术水平的提高，球罐的设计、制造也一直在向着大型化 方向发展，尤其是随着有限元分析软件的广泛应用，这一趋势更加明显。一方面，球罐 的容积尺寸的增加，其设计、加工制造、组装及热处理的难度也随之增加，采取有限元 应力分析设计可以更加准确、直观的反映各结构不连续部位的应力分布，使球罐的设计 更趋合理性，另一方面，采取有限元分析设计可以降低球罐的设计壁厚，对大型球罐来 大型液化气球形储罐可视化分析设计 说，相应节省的材料和投资也是相当可观的( 以本项目中的3 0 0 0 m 3 丙烯罐为例，壁厚每 降低l m m ，即可节省圭0 吨钢材) 。因此，随着球罐的大型化，其设计采取有限元应力分 析的方法进行也是大势所趋“2 1 钔。 庆阳历史悠久，是中华民族的发祥地之一，是原陕甘宁边区的重要组成部分，甘肃 省唯一的革命老区。庆阳是长庆油田的诞生地和主产区，近年来，庆阳地区的长庆油田 油气勘探发展迅速， “十一五期间保持高速上产势头，至2 0 1 0 年长庆油田原油年产 量将突破1 4 5 0 1 0 4 t a ，长庆油田现已发展为我国陆上第四大油田。但是由于庆阳地处 内陆，一直属于经济欠发达地区。为了尽快改变庆阳老区落后面貌，变资源优势为经济、 社会发展强势，甘肃省规划并确定了建设庆阳石纯基地的西标。近年来，孛圜石油集豳 公司为了优化资源配置，实现规模经济优势，相继关闭了长庆油田区域内的马岭炼油厂、 马家滩炼油厂等几个小规模炼油厂，为发展具有一定经济规模的炼油厂创造条件，同时， 庆阳当地原油产量的迅速上升，为实施庆阳石化分公司2 7 0 x1 0 4 t a 搬迁改造集中加工 项目( 共包括常减压蒸馏装置、重油催化裂化装置、气体分馏装置、液化气储运罐区等 王1 个单元) 提供了可靠的原料保证。该项目的实施，符合中央支持老区发展、支持中国 石油实施能源战略、建设资源节约型社会的要求，有利于缓解我国成品油供应紧张状况， 是发展规模经济、提高企业竞争力的需要。 1 3 与课题研究相关的国内外动态 在世界各国，球罐很早以前就被用来作为液化石油气的储存容器，并很快在石漓化 工企业中得到了广泛的应用。在我国，1 9 6 4 年实现了第一台液化气球罐( 5 0 m 3 ) 的国产 化，但是受制予冶金及机械加工的能力，直到上世纪歹k 十年代以前，我国的大型球罐都 是采取进口。 国际标准化组织( i s o ) 、美国、欧洲各国均没有编制专用的球罐标准，这些国家 的球罐建造技术要求与本国的压力容器标准通用，仅有日本( j l p a 2 0 1 “液化石油气球 罐标准 ) 和我国( g b l 2 3 3 7 “钢制球形储罐”) 编制了专用的球罐标准，日本是世 界上建造球罐最多的国家，因此以西本的球罐标准作为对照，也反映了我国的球罐常规 设计、制造水平目前己跻身于世界先进行列晴3 。 液化气球罐尤其是大型液化气球罐在我国的广泛应用，却是在近二十年来才随着我 国工业水平的提高飞速发展起来的。1 9 8 3 年中国自主研发了球罐同等瓣片可任意互换技 术，1 9 8 9 年中国第一台2 0 0 0 m 3 混合式球罐( 球罐的型式繁多，从球壳的结构型式来看， 主要有足球瓣式、桔瓣式及混合式，但对于大型球罐来说，由于混合式兼容了前两者的 优点，往往采取混合式这种结构形式。) 在抚顺石油一厂的建成，才正式标志着我国球 大连理工大学专业学位硕学袋论文 罐大型亿的开始。表圭。l 中所刭为嚣前为丘，我国已建成的用于储存液佬石油气靛几种 最大规格的球罐的相关参数，其中1 0 0 0 0 m 3 球罐为亚洲最大，从中可以看出目前我国大 型液化气球罐的设计、制造水平已达到世界先进水平。 我国的大型液化气球罐设计目前大多仍采取常规设计，但是，近年来随着有限元分 析软件的深入应用，我国也开始了液化气球罐的应力分析设计，2 0 0 3 年第一台采取应力 分析设计的液化气球罐在大庆建成( 1 0 0 0 矗) ，据了解，冒蓊国内采取应力分析设计酌 液化气球罐最大容积为2 0 0 0 m 3 ，本课题中的3 0 0 0 m 。丙烯球罐的应力分析设计是具有国内 领先水平的。 表l ，1 t a b 1 1 我国弱翡已建成的几种最大规格豹球罐的相关参数 d a t a g h e e to ft h el a r g e s ta s b u i l ts p s p h e r i c a lt a n k 注：s p v 4 9 0 q 为嚣本牌号，国内俗称c f - 6 2 。 大型液化气球形储罐可视化分析设计 2 设计标准的确定 2 1 常规设计与分析设计 目前，压力容器设计所采用的标准规范有两大类：一种是常规设计，相应标准有： 美国a s m e v l l l 一1 “锅炉及受压容器建造”和我国的g b l 5 0 “钢制压力容器”等，另一种 是分析设计，相应标准有a s m e - - 2 “锅炉及受压容器建造一另一规则”、欧盟e n l 3 4 4 5 3 “非接触火焰压力容器”和我国的j b 4 7 3 2 “钢制压力容器一分析设计标准”等h 卜柏1 。 常规设计是基于弹性失效准则，以壳体的薄膜理论或或材料力学的方法导出容器及 部件的设计计算公式，再加上一些经验系数，未对容器重要区域的实际应力进行严格而 详细的计算，从本质上讲，常规设计是基于经验的设计方法。 分析设计主要是基于塑性失效与弹塑性失效准则，允许结构出现可控制的局部塑性 区，允许对峰值应力部位做有限寿命设计。采用分析设计需要以详尽的应力分析报告为 依据，由于对部件及所关心的部位进行了详细的应力计算，搞清了该处应力分布情况， 对应力进行了分类并对不同种类的应力分别进行控制，因此，与常规设计相比，分析设 计更具科学性和安全性。 常规设计与分析设计的总体思想都是将材料选用、结构考虑、强( 刚) 度计算、制 造、检验、试验、使用等各个环节紧密联系，但由于采用了不同的设计准则( 即考虑了 不同的失效方式) ，因而在材料选用、结构考虑、强( 刚) 度计算、制造、检验、试验、 使用和适用范围、授权证书、钢印标志等方面都相应自成系统，两者不能混淆，不能套 用，尽管某些内容或因采用相同的失效准则( 如受外压容器设计) 或因历史沿用原因( 如 法兰设计) 而采用基本相同的设计公式，但从总体上说，二者是完全不同的。 由于常规设计与分析设计采用了不同的设计准则，所以在某些结构规定上也有所不 同，例如前者允许采用对接、角接和搭接焊缝，并允许部分焊透的结构，在各元件的壁 厚计算公式中根据焊缝结构型式、无损检测的程度而引入不同的焊缝系数；后者则不允 许采用搭接焊缝，基本不允许采用各种型式的未焊透结构，对各焊缝都要求1 0 0 无损检 测并取焊缝系数为1 o 。 另外，众所周知常规设计采用弹性失效准则而不适用于要求进行疲劳分析的容器， 而分析设计采用了包括疲劳失效准则在内的多种失效准则，因而在必要时可以进行疲劳 分析。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 2 常规设计 在我国，自从1 9 7 7 年由石油工业部、化学工业部和机械工业部共同颁发的“钢制 石油华工压力容器设计规定”到目前的g b l 5 0 - 1 9 9 8 ，逐渐形成了一整套完整的常规设计 标准规范，并广泛应用与各行各业之中，目前我国的球罐设计专用标准g b l 2 3 3 7 中的设 计计算也采用常规设计。 庆阳项目中的3 0 0 0 m s 丙烯球罐，如果按照常规设计进行，其计算结果如下： 遮盐釜鲑： 拉杆与支柱连接形式： 壳形式： 近震还是远震： 地震烈度： 场地土类别： 球壳分带数： 球罐中心至支柱底板底面 的距离h o ( 衄) ： a 点( 支柱与球壳连接最低点) 至 球罐中心水平面的距离l 。( 删鸡： 支柱外直径d o ( r a m ) ： 支柱厚度( 姗) ： 拉杆直径( 1 1 1 m ) ： 耳板和支柱单边焊缝长l l ( 删曲： 拉杆和翼板单边焊缝长工：( m 】吣： 支柱和球壳焊缝焊脚尺寸双m m ) ： 支柱底板腐蚀裕量c b ( 衄) ： 保温层厚度( 衄) ： 保温层密度( k g m 3 ) ： 设计压力p ( m p a ) ： 试验压力p t ( m p a ) ： 设计温度( o ) ： 基本风压值q o ( n m 2 ) ： 球壳材料名称： 支柱材料名称： 支柱底板材料名称： 地脚螺栓名称： 相邻 混和式 近震 6 2 3 1 1 8 0 0 0 2 7 5 0 o 6 3 0 o 1 5 o 5 6 o 5 9 0 0 2 0 0 0 1 5 o 3 o 无保温 无保温 2 1 6 2 7 0 5 0 0 4 1 0 0 0 刀垤n c 。r m o v r 1 6 m n r ( 热轧) 1 6 m n r ( 热轧) q 2 3 孓a 自上而液柱高( 非鹏厂r 标校核球壳名义 下带号准时输入) m m厚度m m 13 0 9 5 21 1 2 6 0 7 挝魁筐篚q 婴业 一5 支柱数目刀： 一根支柱上地脚螺栓个数 d ： 压力试验类型： 地面粗糙度类别： 充装系数k ： 公称容积( 岔) ： 拉杆与支柱交点至基础 的距离，( 衄) ： 1 0 2 液压 b o 9 0 3 0 0 0 0 8 0 0 0 0 支柱类型： 焊接钢管或钢板卷制 耳板和支柱焊缝焊脚尺寸s1 ( 删n ) ： 1 5 0 拉杆和翼板焊缝焊脚尺寸s 2 ( m m ) ： 1 5 0 球壳钢板负偏差c l ( 删呻：0 0 球壳腐蚀裕量c 2 ( m m ) ： 1 0 拉杆腐蚀裕量c t ( m m ) ： 2 0 地脚螺栓腐蚀裕量cb ( m m ) ： 3 0 基本雪压值q ( n m 2 ) ： 1 5 0 0 物料密度见( k g m 3 ) ： 5 1 6 0 附件质量m 7 ( 砖) ： 1 0 0 0 0 0 焊接接头系数谚 1 0 0 支柱底板与基础的摩擦系数 ：0 3 球壳内径d i ( 衄) ： 1 8 0 0 0 0 拉杆材料名称： 2 0 销子材料名称： 3 5 耳板材料名称：1 6 m n r ( 热轧) 翼板材料名称：1 6 m n r ( 热轧) 自上而液柱高( 非旧厂r 标准时校核球壳名义 下带号输入) n l m 厚度m m 31 4 4 7 5 6 大型液化气球形储罐可视化分析设计 设计温度下球壳材料的许用应力： 支柱材料的许用应力： 壳体材料常温屈服点： 支柱材料常温屈服点： 耳板材料常温屈服点： 耳板和支柱角焊缝许用剪应力： 拉杆和翼板角焊缝许用剪应力： 地脚螺栓材料许用剪应力： 支柱底板材料许用弯曲应力： 自上而下带号计算厚度 l4 8 0 24 9 3 34 9 6 达坠匿左撞筮q 堡必i 试验压力pt ： 试验压力下球壳的应力o t ： 蔓缝厦量让篡【! 嬉1 ； 球壳质量m i ： 物料质量m 2 ： 压力试验时流体的质量m ，： 积雪质量m 4 ： 压力试验状态下的球罐质量聊： 2 0 3 0 支柱底板材料常温屈服点： 2 3 0 0 地脚螺栓材料常温屈服点： 4 9 0 0 拉杆材料常温屈服点： 3 4 5 0 销子材料常温屈服点： 3 4 5 0 翼板材料常温屈服点： 8 2 8 支柱和球壳角焊缝许用剪应力： 5 1 6 拉杆材料的许用应力： 9 4 0 销子材料的许用剪应力： 1 9 0 0 耳板材料的许用压应力： 2 8 5 0 2 3 5 0 2 1 5 0 3 1 5 0 3 4 5 0 8 2 8 1 4 3 3 1 2 6 0 3 1 3 6 设计球壳时球壳的设计厚度及名义厚度( r a m ) ： 设计厚度名义厚度魏 5 2 0 4 9 0 5 0 3 5 0 6 2 7 0 校核试验压力： 2 5 4 5 4 1 7 9 0 1 1 1 4 1 8 1 0 4 9 3 0 5 3 6 2 8 2 1 5 7 5 0 3 5 1 2 1 4 2 5 保温层质量m s ： 支柱和拉杆的质量m 6 ： 附件质量m 7 ： 操作状态下的球罐质量m 。： 球罐最小质量胁曲： 地震夔蕉盐篡； 支柱横截面的惯性矩，( 删的： 1 3 7 0 9 9 1 6 1 6 0 拉杆影响系数f ： 球罐的基本自振周期r ( s ) ：0 9 3 9 7 球罐的水平地震力r ： 地震影响系数口0 0 0 0 0 基夔蕉盐篡； 系数善l ： 风压高度变化系数： 1 6 6 3 8 3 8 6 风振系数k 2 = 1 + 0 3 5 矗： 1 0 5 0 球罐的水平风力凡( m ： 童复盐篡； 由水平地震力和水平风力引起的最大弯矩三( n m 】吸) ： 塞柱计算： 操作状态下的重力载荷g 。( n ) ： c r ) 。 ( n ) ： ( r 护卜i ) 。： w t ( ： m t l ( m ： 压力试验状态下支柱附加弯矩 ( n r a m ) ： 1 8 4 2 e + 0 6 匪栩趣剀漆雨斑影商萄： 6 5 1 8 e + 0 3 ( j d h ) 。( n ) ： 2 4 9 5 e + 0 4 既： 3 4 5 2 州m 6 g o l： 2 6 1 9 州m 7m 0 2 ( n ) ： 9 1 8 3 e + 0 7 操作状态下支柱的总弯矩 坛( n r a m ) ： 一6 一 合格 0 o 3 0 6 1 3 1 1 0 0 0 0 0 1 8 7 8 1 9 4 0 4 5 8 5 1 4 2 0 2 4 4 o o 1 5 8 2 7 7 1 8 刮m 4 2 9 3 3 r 卜0 8 3 4 4 4 m 6 2 2 2 0 e 卅膳 1 8 6 7 p 卜0 6 1 1 1 1 刮m 7 7 2 0 5 d m 7 8 0 1 6 m 7 大连理工大学专业学位硕士学位论文 压力试验状态下支柱的总弯矩 1 1 8 0 e + 0 8 坼 童挂庭堑过篡； 支柱底板直径仇( m m ) ： 底板的压应力o b c ( m p a ) ： 垫枉! 熊王! 里堑麴翼堑盐簋； 拉杆的最大拉力f t ( n ) ： 拉杆的螺纹公称直径m ( 珊曲： 销子直径廓( m m ) ： 耳板厚度露( m m ) ： 翼板厚度磊 应力校核结果 应力校核结果 1 2 1 2 1 底板计算厚度磊( 删n ) ： 2 9 9 底板名义厚度磊( 删咀) ： 2 7 0 4 0 8 拉杆螺纹小径卉( 彻曲： 5 6 销子直径计算值西( 删曲： 1 2 耳板厚度计算值菇( m n l ) ： 8 翼板厚度计算值磊c r a m ) ： 4 耳扳与划茧鳞挲楔酌切蚴m p a ) ： 合格拉雕葶淞琏劈辚墅c 砸功( m 田a ) ： 合格 童挂量蔓壶连接量低壶垒的廑左撞蕉； ( m p a ) ： 6 5 研( m p a ) ： poa(mpa)：0042肌( m p a ) ： c 】r o l( m p a ) ： 1 9 4 8 仃t l ( m p a ) ： d & i _ + t o ( m p a ) ： 2 0 1 3 应力校核： d h = 知+ r t ( m p a ) ： 2 6 1 2 应力校核 童挂多堡壶连堡埕丝的堡廑撞楚； ( m p a ) ： 外压a 值 蔓壹迕旦匿左盐篡； 诺愠阂球耨冼啪蚴内( m p a ) ： 球壳许用外压绝对值 纠( m p a ) ： 支柱稳定性校核： 单个支柱的横截面积a ( 衄2 ) ： 支柱的惯性半径( m m ) ： 轴心受压支柱的稳定系数嚷 压力试验状态下支柱的稳定性 5 8 3 0 0 0 0 7 0 8 3 2 2 9 4 0 5 2 4 6 2 8 9 8 1 2 2 1 7 5 0 7 7 6 2 3 1 8 0 8 应力校核 外压b 值 单个支柱的截面系数z 细m 3 ) ： 支柱长细比九： 操俐超汗支瞰魄黜 ( m p a ) ： 稳定性校核结果 丝艘堡拴盐篁； 拉杆作用在支柱上的水平力疋( n ) ：1 5 4 3 6 6 支出裁瞧基础偿葑肋只( n ) ： 地脚螺栓的螺纹小径魂( 删呦： 不需 地脚螺栓m ( r a m ) ： 计算 6 6 2 5 6 7 1 7 5 2 1 1 1 7 7 1 8 3 5 9 2 2 3 2 1 2 1 0 1 1 5 2 4 9 1 合格 合格 合格 9 3 1 4 3 5 2 3 5 4 0 5 4 2 5 1 0 0 9 合格 1 3 4 8 9 4 7 3 0 定位地脚螺 栓 由于常规设计采取的是弹性设计准则，安全系数3 0 也比分析设计的2 6 要大，其 计算结果在大多数情况下往往偏于保守，而且不能够根据应力分布的情况，对不同种类 的应力分别进行控制。从上面的计算结果来看，球壳的最大计算厚度出现在下极带板处， 而不是球壳赤道带( g b l 2 3 3 7 1 9 9 8 “钢制球形储罐 认为最大应力点总是位于支柱托板 与球壳连接处最低点) ，这明显也是非常不合理的。 一7 大型液化气球形储罐可视纯分析设计 2 。3 分析设计 分擀设计在我遴匿力容器设计中靛应用裙对于常勰设计开炭的比鞍魏，直到1 9 9 5 年我国的分析设计标准“钢制压力容器一分析设计标准( j b 4 7 3 2 - 9 5 ) 才得以颁布，并 且由于受软、硬件条件的限制，分柝设计并没有象常规设计那样得到广泛普及。但是随 着计算枫技术酶发展，近年来分析设计在压力容器设计孛的应用发展缀快。 2 ，3 1 分析设计的基本方法 分析设计标准允许容器中出现局部塑性变形，德是，计算塑性状态下的英里就要涉 及塑性力学的平衡方程、本构条件及屈服条件等复杂关系，即使是采用极限分析、安定 分析来求取容器及其部彳孛的极限载旖与安定载荷，也缺乏实验数攥霸有效的计算方法。 鉴于此，美国a s m e 锅炉与压力容器规范首先采用弹性应力分析与塑性设计准则相结合 酶方法，仍然采用弹性应力分析的结果，对应力进行分类，用塑性理论豹准则与结论进 行评定。多年来的实践表瞒，这种以弹性分析代替塑性分析的工程近似方法，是种行 之有效丽扭安全可靠的方法“3 蜘。 _ 2 ，3 2 应为分类 噩力容器受压元件在工作时，不仅要承受介质压力和其链辨部机械载萄的作用，还 要承受局部或整体的热应力。这些应力产生的原因、分布区域存在重大的区累，钝骺对 承压元件强度的影响并不一样。常规设计计算中没有进行详细的应力分析，只是通过简 单的计算结合使用经验对缭镌、制造和使爰提出一些强裁规定来保证设备酶安全性。 实际上，压力容器中的各种应力不具有阍一性质，不属于同一类型，必须进行区分 对待。在有限元应力分析设计时，依据应力产生酶原因与箨用以及应力的分布靓律，对 应力进行分类。本着“等安全裕度”的原则，对不同性质的应力采取不同的许用应力强 度来进行控铡。从设计的角度来讲，减少了黉照性，使设计更趋予安全含理。 应力可以从不同角度进行分类：就其范丽而言，可分失总体应力和局部疲力；按照 沿壁厚的分布情况可以分为均匀分布( 薄膜应力) 、线性分布( 弯曲威力) 和非线性分 布的应力；按照性康可分为一次庭力、二次应力零峰值应力。这些应力分类往往又是襁 甄交叉的。在压力容器分析设计标准j b 4 7 3 2 中，将应力主要分为：一次应力( 细分为 次总体薄膜、一次嚣部薄膜及一次弯亟) 、二次应力霹蜂傻应力戤喇1 。 i 、一次应力 一次应力是平德压力和其他机械载荷所必需的法向应力或剪应力。次应力是维持 结构各部分平衡壹接需要的，它对设备失效影响最大。当一次应力超过材料震服点时， 大连理工大学专业学位硕士学位论文 将会引起过量的总体塑性变形而造成失效，它没有自限性。一次应力可细分为一次总体 薄膜应力、一次局部薄膜应力及一次弯曲应力。 ( 1 ) 一次总体薄膜应力p - 指影响范围遍及整个结构的一次薄膜应力。在塑性流动过 程中，它不会发生重新分布，将直接导致结构破坏。 ( 2 ) 一次弯曲应力p b 指平衡压力或其他机械载荷所需的沿厚度线性分布的应力。 当进入屈服后，它可以发生应力重新分布。 ( 3 ) 一次局部薄膜应力p 。指应力水平大于一次总体薄膜应力，但影响范围仅限于 局部区域的一次薄膜应力。 2 、二次应力( 符号q ) 二次应力是为了满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所必需的应力，它是由 于变形协调的需要而产生的自平衡力系引起的。二次应力的主要特征是具有自限性。由 于总体热应力属于自平衡力，因此归类为二次应力。 3 、峰值应力( 符号f ) 峰值应力是由局部结构不连续或局部热影响所引起的附加于一次应力与二次应力 之上的应力增量。它的特征是同时具有局部性和自限性，仅对低周疲劳或脆断失效模式 起作用。 2 3 3 应力强度评定 应力分析的最终目的是对不同应力强度分别进行评定，采用不同的应力强度极限代 替原来的同一许用应力值。在基于应力分析和应力分类的强度评定中通常采用第三强度 理论。首先需要选取穿过壁厚的路径，然后将线弹性分析得到的路径上各种应力分量( 当 计算结果超过屈服点时为名义应力或虚拟应力) 分解为薄膜应力、弯曲应力和峰值应力， 再求取应力强度( 最大主应力和最小主应力的代数差值) ，按照不同的原则进行评定。 将各类应力按照同种分量分别进行叠加，得到p m 组、p l 组、p 。+ p n 组、p 。+ p “+ q 组、 p 。+ p 。+ q + f 组共5 组应力分量，然后可以求得每组的应力强度： 一次总体薄膜应力强度s 。( 由p 算得) 一次局部薄膜应力强度s 。( 由p 。算得) 一次薄膜加一次弯曲应力强度s m( 由p 。+ p 。算得) 一次加二次应力强度s ( 由p 。+ p n + q 算得) 峰值应力强度s v ( 由p 。+ p 。+ q + f 算得) 我国应力分析标准j b 4 7 3 2 相应对五个基本应力强度值的许用极限规定如下乜1 ： 一次总体薄膜应力强度s 。的许用极限为k s 。 大型液化气球形储罐可视化分析设计 一次局部薄膜应力强度s 。，的许用极限为1 5 k s 。 一次薄膜加一次弯曲应力强度s m 的许用极限为1 5 k s 。 一次加二次应力强度s 的许用极限为3 k s 。 峰值应力强度s v 的许用极限取决于导出它的应力差的幅值及其作用次数。 2 4 设计标准的确定 与常规设计相比，分析设计更具科学性和安全性，尤其是有限元分析的应用，可以 得到相对更加直观、准确的应力分布i 实现可视化设计。采用分析设计提高了材料的许 用应力强度值，降低了基本安全系数，一般可以节约一定的材料，相应减少了设备焊接 的工作量，但是提高了材料的性能和质量检验的要求。 由于常规设计标准与分析设计标准不能混用，国外压力容器采取哪种方法进行设计 主要是依据综合经济核算来决定，在进行庆阳项目中3 0 0 0 m 3 丙烯球罐的设计时，我们结 合国内材料的应用情况和施工制造水平，经与业主协商，最终确定采用分析设计。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 有限元分析理论 随着计算机科技的突飞猛进，计算机软件的应用在工程技术领域也得到了很好普及 和推广。发展至今，将计算机、计算机软件用于产品的开发、设计、分析与制造，已经 成为近代工业提升竞争力的主要方法。以虚拟样机模拟为代表的计算机辅助工程( c a e ) 技术飞速发展，这一点在工程分析、设计中也相应体现出来。 传统的工业依据个人的经验累计而成，同时以经验作出初步的设计，再由此初步的 设计去做出原始模型，再做出成品，成品完成后，便进行实验以确保产品的可靠性，而 此种方法基本上称为试误法，即初级成品经测试不能满足工程或品质上的需求时，再回 去修改原设计图纸，再做试品重新测试。这种方法费时且成本相当高，若使用c a e ，则 在设计图完成后即连接c a e ，作各种分析，并且导入最优化成品，即可在短时间内完成 产品n 刀。通过先进的虚拟产品加工过程和运行过程的仿真功能，帮助市场决策者和工程 技术人员进行产品优化和设计，解决从简单到复杂的工程应用问题，c a e 在产品开发、 研制及设计中显示出无与伦比的优越性。高水准的计算机辅助工程( c a e ) 软件及其超 强灵活的二次开发环境，在工程分析、设计中大显身手的同时，已成为支持大学和科学 研究机构完成前沿课题研究的强有力的辅助工具。 上世纪7 0 8 0 年代是c a e 技术蓬勃发展的时期，这期间许多c a e 软件得以开发， 作为c a e 技术核心内容之一的有限元法( f e m ) 在结构分析和场分析领域获得了很大的 成功，逐渐由力学模型开始拓展到各类物理场的分析，从线性分析向非线性分析发展， 从单一场的分析向几何场的耦合分析发展。目前有限元分析技术己广泛应用于结构力 学、热力学、流体力学、电磁学等领域，更结合不同的领域，像流体与结构力学的结合， 电路学与电磁学的结合，所以发展也越来越迅速。 3 1 有限元法 有限元法始于1 9 5 6 年，首先在飞机结构计算中提出用离散的有限单元体来代替连 续体求解的基本思想和方法，第一次给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确解 答，打开了利用利用电子计算机来求解复杂平面弹性问题的新局面。1 9 6 0 年，c l o u g h 进一步处理了平面弹性问题，首次提出了“有限单元法”的名称，使人们开始认识到有 限元法的功效。但是由于计算机尚未迅速发展，有限元法的使用和发展受到了很大的制 约。到上个世纪7 0 年代，有限元法处于“文艺复兴时期”，广泛应用，也开始使用该 法来解决压力容器设计、制造的具体问题。同时，在这个时期有限元法也从变分学里找 到了数学依据。离散数学、广义变分、收敛分析等数学内容也开始向有限元法中渗透， 大型液化气球形储罐可视化分析设计 使有限元法如虎添翼。不仅在固体力学领域，而且在其他连续介质领域如热力学、流体 力学、电磁学等也发挥着重要箨照，解决了越来越多的工程阍题疆辅1 。 有限元法是一种近似求解连续域问题的数值方法，有限元法将实体的对象分割成不 潮大小、种类、小区域的元素( 有限元) ，掇据不同领域的需求推导毖每个元素作用力 方程，组合整个系统酶嚣素并构成系统方程组，最屠借劲计算机来求解方程组汹。它也 可以说是种物理近似法，它从能量原理出发，对结构进行离散化处理。即把连续的弹 性体设想为壶许多且又是有限个单元组成，这些单元形状篱单，每个单元上有羞于个节 点，各个单元仅在节点处按一定方式相互联系、相互作用。与此同时，把用连续形式描 述的边界条件看作是只霈在边雾上若于个节煮应当遵守豹条件。此外，还把结构所受的 各种载荷按一定方法化为等效的节点载荷。实际上，这就惩把无限逸由度的连续体的力 学计算变成在有限多个节点上某些参数的计算，以上这个过程就称为结构的“离散他 处理汹棚1 。 有限元法按照所依据的能量原理的不同，可分为位移法、力法、杂交法与混合法， 具有翔下特色： l 、整个系统离散为有限个元素； 2 、翻用麓量最低原理与泛蘸数值定理转换威一组线健联立方程组； 3 、处理过程简明； 4 、整个区域做离散处理，嚣庞大的姿料输出空阀与计算枧内存，解题耗时； s 、线性、嚣线性均使麓。 使用有限元计算分析方法较其他传统的实验应力分析方法有明显的优越性，其优点 在于敛下足个方西： l 、能够给出所需要的模型任意部位的应力和位移状态。 2 、不仅能给滋数据结果，还麓够壶计算机鸯动缭出蛊蕊的立体圈象，实现可褫纯 分析。 3 、一旦实际的物理模型被转化为数学模型，就可以反复使用丽一模型进行各种加 载状况的计算，保证了模型黔完全相儆，同时还萄数用来对多种不麓模型进行 计算分析。 4 、借助于计算机，大量的数据处理变褥较为容易，不管研究对象的几何形状、材 - 料性质、支持条件等多么复杂，都能够进行较为详尽的分析，比较迅速得出准 确的计算结果。 有限元法是与工程廒用密切结合并直接为产晶设计服务的，随着计算枫技术麓遴 步，有限元理论也褥到了进一步发展与完善，各种通用的有限元分析程序大量涌现，并 大连理工大学专业学位硕士学位论文 得到广泛应用，常见的如a n s y s 、s a p 、n a s t r a n 等，一般完整的有限元分析程序包含前 置处理、解题程序和后置处理三部分。 3 2 有限元法的基本架构 有限元法是将所探讨的工程系统转化成一个有限元系统，该有限元系统由节点及元 素所组合而成，以取代原有的工程系统，有限元系统可以转化为一个数学模式，并根据 该数学模式进而得到有限元系统的解答，并通过节点、元素表现出来。完整的有限元模 型除了节点、元素外，还包含了工程系统本身所具有的边界条件( 包含约束条件、载荷 条件等) 。 有限元系统基本构成如下乜耵： 1 、节点 就是所考虑工程系统中的一个点坐标位置，构成有限元系统的最基本对象。具有其 物理意义的自由度，该自由度为结构系统受外力后，系统的反应。自由度可为位移、温 度、电压等，依不同类型问题而定，节点为施加集中载荷的所在，如力、力矩、温度、 热流等。 2 、元素 元素是节点与节点所连接而成，元素的组合由各节点相互连接，并构成结构数学模 式的刚度矩阵。不同特性的工程系统，可选用不同种类的元素，现在比较常用的有限元 分析软件往往提供多种元素型号以供选择。 3 、自由度 节点一定具有某种程度的自由度，以表示该工程系统受到外力后的反应结果，任何 元素在数学模式转换时依其自由度而定，以三维空间结构力学而言，节点的自由度含3 个方向位移及3 个方向角变形，其他可能的自由度如温度( 热分析) 、压力( 流体力学 分析) 、磁位能( 磁分析) 等。 3 3a n s y s 软件简介 自1 9 7 0 年美国匹兹堡大学j o h ns w a n s o n 教授开发出a n s y s 以来，在3 0 多年的发 展过程中，该软件不断改进，功能不断增强，目前已成为集结构、热、流体、电磁场、 声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件，a n s y s 软件是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在我国，它也是第一个通过了“中国锅 炉及压力容器标准化委员会”认证，并且也是目前唯一具有中文界面的大型通用有限元 软件n 8 1 训。本课题中3 0 0 0 m 3 丙烯球罐的应力分析即采用了a n s y s 8 0 进行的。 大型液化气球形储罐可视化分析设计 a n s y s 软件是一个多用途的有限元法计算机设计程序，它基于工程学以及许多数值 分析的理论和技术，可以用来求得结构、流体、电力、电磁场以及碰撞等问题的解答， 它可以用