（固体力学专业论文）钢制球形储罐有限元应力分析设计及腐蚀疲劳剩余寿命预测.pdf

摘要 钢制球形储罐有限元应力分析设计及腐蚀疲劳剩余寿命预测 摘要 钢制球形储罐作为一种在油气、化工等行业中储存液、气类介质的重要压力容器，在 工业生产中有着非常广泛的应用，其分析设计和使用安全问题越来越引起国内外有关专家 和工程技术人员的关注。 本文首先综述了钢制球罐结构设计特点、应力分析和强度评定标准、目前研究现状以 及考虑存在腐蚀缺陷时目前所主要采用的解决方法；然后在第二章中，针对1 0 0 0 m 钢制球 罐，采用有限元a n s y s 分析软件，按照两种不同的有限元建模和网格划分方案，从液压试 验、设计工况条件下进行了有限元应力分析设计和强度评定，比较了两种工况不同有限元 处理方案时第三应力强度最大应力的位置及大小；第三章根据钢制球罐应进行疲劳分析的 条件和要求，采取同样的有限元模型处理方案，施加疲劳载荷进行有限元分析计算，对其 进行疲劳强度评定，比较了不同有限元处理方案时第三应力强度最大应力的位置及大小， 对钢制球罐进行了一个完整的工程分析设计。 在役工程压力容器，存在缺陷不可避免。一般承受着循环载荷作用，工作在腐蚀的环 境中，对其缺陷程度的掌握和控制非常重要。本文首先对疲劳裂纹扩展规律p a r i s 公式进行 了阐述，之后对腐蚀疲劳常用模型进行了分析研究和对比，并对1 0 0 0 m 3 钢制球罐用钢 0 7 m n n i c 枷o v 】d r 在腐蚀介质风s 作用下，估算了其腐蚀疲劳剩余寿命，重点分析了裂 纹长度与剩余寿命以及裂纹扩展速率的关系。 关键词：球罐；有限元；分析设计；腐蚀疲劳；裂纹扩展 摘要 f es t r e s sa n a l y s i sa n dc o r r o s i o nf a t i g u er e s i d u a ll i f e p r e d i c t i o nf o rt h es t e e ls p h e r i c a lt a n k a b s t r a c t t h es t e e ls p h e r i c a lt a n kh a sw i d ea p p l i c a t i o n si np e t r o la n dc h e m i c a li n d u s t r ya s i m p o r t a n tp r e s s u r e v e s s e l ss t o r i n go i la n dg a s i t sd e s i g na n a l y s i sa n ds a f e t y a s s e s s m e n th a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o no f s o m ee x p e r t sa n de n g i n e e r s i nt h i sa r t i c l e ，t h es t r u c t u r ed e s i g n ，s t r e s sa n a l y s i sa n ds t r e n g t he v a l u a t i o nc r i t e r i a o f t h es t e e ls p h e r i c a lt a n kw e r es m n m a r i z e da tt h eb e g i n n i n g w ea l s oc o m et os o m e s o l u t i o nt oc o n s i d e rc o r r o s i o nd e f e c t t h e n 证t h es e c o n dc h a p t e r , f eh u m e r i e a l s i m u l a t i o n sw i t ha n s y sw f f r ec a r r i e do u t0 n a1 0 0 0 m 3s t e e ls p h e r i c a lt a n k a c c o r d i n gt ot w os c h e m e s ，i nw h i c hd i f f e r e n tm o d e l i n ga n dm e s h i n ga p p r o a c h e sa r e a d o p t e d s t r e s sa n a l y s i sa n ds t r e n g t he v a l u a t i o na r ep r o c e e d i n gi nt h es i m u l a t i o n ，t o o s i m u l t a n e o u s l y , t h em a x i m u mo fm i n o rp r i n c i p a l s t r e s sa n di t sl o c a t i o nw e r e c o m p a r e du n d e rt w od i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s t a k i n gt h es a n l ef ep r o c e s s i n g m o d em e n t i o n e da b o v ea n de x e r t i n gt h ef a t i g u el o a d ，w ei m p l e m e n t e df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nt oe v a l u a t ef a t i g u es t r e n g t hi nt h et l l i r dc h a p t e r , a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n to ff a t i g u ea n a l y s i s w ec o m p a r e dt h em a x i m u mo fi n i n o rp r i n c i p a l s t r e s sa n di t sl o c a t i o nu n d e rd i f f e r e n tf ep r o c e s s i n gm o d e s t h ec a l c u l a t i o np r o p o s e d i nt h ep r e s e n tp a p e r p r o v i d e sa ni n t e g r a t e da n a l y s i sf o re n g i n e e r i n gd e s i g n g e n e r a l l y , t h ep r e s s u r ev e s s e l si ns e r v i c ea r es u s t a i n i n gc y c l i cl o a d i n ga n d w o r k i n gi nt h ec o r r o s i v ee n v i r o n m e n t t h u s ，d e f e c t sa r ei n e v i t a b l yc r e a t e da n di ti sa m o s ti m p o r t a n tt a s kt od i r e c ta n dc o n t r o l t h ed e f c e tl e v e l p a r i sf o r m u l aw h i c h d e s c r i b e st h er u l e so ff a t i g u ec r a c kg r o w t hw a sf i r s te x p o u n d e di nt h i sa r t i c l e a r e r t h a t , w ec o m p a r e ds o m em o d e l so fc o r r o s i o nf a t i g u ei nc o m m o nu s a g e w eg a v ea l l e s t i m a t eo ft h ec r a c kg r o w t hr a t eo ft h es p h e r i c a lt a n ks t e e l0 7 m n n i c r m o v d ri n h ，se n v i r o n m e n ta n dp r e d i c t e di t sr e s i d u a ll i f e ，a n dp u te m p h a s i so nt h er e l a t i o n s h i p b e t a v e e nc r a c kl e n g t ha n dr e s i d u a ll i f ea l o n gw i l l lc r a c kg r o w t hr a t e k e yw o r d s ：s p h e r i c a lt a n k ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；d e s i g na n a l y s i s ；c o r r o s i o n f a t i g u e ；c r a c kg r o w t h 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 侔和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 叩年，月冲日 中田科擎技术大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着科学技术的进步和工业的飞速发展，储存也逐渐成为工业生产工艺流程 中不可缺少的部分。生产中为便于原料、产品或中间产品的运输、储存收集、添 加等需使用各种储存容器，如液化石油气的运输、储存必须用槽罐( 车) 、储液罐 等。用于生产中的各种加料罐、接收罐、中间储罐、成品接收罐等都是储存容器 。压力容器作为一种重要的存储设备，在石油、化工、轻工等工业生产中得到 了越来越广泛的应用和重视，特别是大型压力容器设备的分析设计和使用安全问 题越来越突出，因此越来越引起国内外有关专家和工程技术人员的关注。 钢制球形储罐( 以下简称钢制球罐) 是一种高效的适于储存的大型压力容器设 备，储存介质涵盖了液化气体、氧气、氮气、天然气及城市煤气等，容量大，常 常要工作在高压、高真空、腐蚀和低循环疲劳载荷等环境中，安全要求性高，制 造工艺也比较复杂，受结构、自重和试验周期、经费的限制，现场及实验室的试 验难以完成强度设计和状态监控等要求，需要通过计算机模拟等手段来有效解决 试验中存在的问题，从而缩减研制经费和周期。 某石化企业为提高单位效益，减少材料消耗和维护费用，计划分批次更换8 0 年代服役的1 0 0 0 m ，钢制球罐。新球罐的设计顺应当今金属材料发展趋势和国产球 壳用钢实际，使用新型材料替代原来的材料。使用新型材料进行设计后，球壳厚 度减薄，结构适当简化，服役时间有所增长，为保证其工作的可靠性，根据该石 化企业提供的图纸和计算条件，对钢制球罐进行强度评定，并考虑其将来工作环 境的特殊性，对其服役中在腐蚀和疲劳双重作用时的剩余寿命进行初步的预测分 析。 1 2 钢制球罐概述 球罐最早出现在1 9 世纪末2 0 世纪初，早期的球罐为铆接结构。第二次世界大 中困科学技术大学硕士学位论文 战以后，随着焊接技术的发展，球罐制造由铆接改为焊接，世界各工业国家先后 着手建造、使用焊接球罐。美国于1 9 4 1 年、前苏联于1 9 4 4 年、日本于1 9 5 5 年、前 联邦德国于1 9 5 8 年分别建造了一些压力较高、容量较大的球罐。我国球罐制造始 于2 0 世纪5 0 年代末6 0 年代初，当时建造的球罐容积大多在1 0 0 0 m 3 以下。1 9 8 0 年以 来，我国通过引进特种大型球罐，并大量吸收了国外先进的技术，球罐设计、制 造、组装、焊接与检验技术水平得到迅速提高 2 3 1 2 1 钢制球罐的结构设计n 2 1 1 球壳形式。钢制球罐是由许多块预先按一定的尺寸压制成形的球面板拼 焊而成，直径较大。由于球壳是中心对称的结构，应力分布均匀，球壳体应力 是相同直径圆筒形壳体应力的一半，压力载荷相同的情况下所需板材厚度最小， 相同容积的结构表面积最小，与同压力载荷、同容积的圆筒形容器相比，可节 约材料3 0 e r 4 0 。球罐按其分割和球壳板的组合方式不同，可分为桔瓣式球罐、 足球瓣式球罐，现在多采用集两者之长的混合瓣式球罐，即赤道带、温带采用 桔瓣式分瓣结构，极带采用足球瓣式分瓣结构。球罐多采用现场组焊，即在制 造厂内分瓣制造并运抵施工现场，球壳的组装、焊接及无损检测等均在现场完 成。 2 人孔与接管。我国针对球罐专门制定的设计、建造标准g b l 2 3 3 7 1 9 9 8 钢制球形储罐3 3 规定，球罐一般应在上、下极板各设置一个人孔，便于建 造、使用及检验时人员，机具的出入。对于必须进行焊后整体熟处理的球罐， 则上、下人孔应设在球罐的垂直中心线上。目前，大型球罐人孔多采用整体锻 件凸缘结构进行补强，使开孔部位应力分布更趋合理。根据储存物料情况和工 艺要求，球罐一般设置物料进出口、仪表接口以及排污口等。接管是球罐的应 力集中部位，也是检验的薄弱环节。为了提高接管的安全性，目前大型球罐多 采用锻件厚壁管或整体锻件凸缘结构。为了便于工艺操作与控制，接管的位置 应尽量集中在上下极板。 中田科学技术大学项士学位论文 3 球罐支撑。球罐支撑结构有多种型式，最常用的是赤道正切式。球罐支 撑结构主要有支柱、拉杆、支柱底板和地脚螺栓等组成。对于大型球罐，支柱 一般分为两段或多段，这样一方面方便运输，另一方面可使支柱上段材质与球 壳板相同，而下段采用普通结构钢，避免支柱与球壳板连接成为异种钢焊缝。 支柱、拉杆设计不仅应考虑球罐在操作和水压试验等工况条件下的压力、设备 自重和储存介质重量等载荷，而且应顾及当地的地质情况以及风载荷、地震等 载荷。 1 2 2 钢制球罐的结构及各部分名称b 3 钢制球罐一般由球壳、上下人孔、进出气孔、支柱、托板、拉杆等部分组成， 其结构示意及各部分名称如图1 、图2 所示。 安全辩件 图1 钢制球罐结构及各部分名称 中圉科学技术大学硕士学位论文 1 2 3 钢制球罐的材料 图2 支柱结构及各部分名称 用于制造压力容器的材料较多。大多数压力容器是碳钢、低合金钢、不锈 钢制成的，此外还有用铸铁、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金制成的。 目前，国内生产的球壳板用钢主要有1 6 m a g 、1 5 m n n b r ，0 7 m n c r m o v r 和 0 7 m n l q i c r m o v d r 等，0 7 m n c r m o v r ( 0 7 m n n i c r m o v d r ) 也称之为国产c f 6 2 钢， 是一种标准抗拉强度在6 1 x i o t p a 以上的压力容器用钢，自上世纪8 0 年代研制 成功以来，在压力容器制造方面，尤其是在钢制球罐制造方面得到了广泛的应 用。国内在开发0 7 m n c r m o v r 的同时，完成了配套锻件0 8 m n n i c r m o v d 和配套 焊条的开发，为国产c f - 6 2 钢在压力容器及其它工程结构中的应用打下了良好的 基础。近年来，随着国产质量技术指标的逐步提高，即使主体材料选用进口c f 6 2 钢板，配套锻件也可采用国产0 8 m n l q i c r m o v d 锻件c 2 3 。 中固科擘技术大学硕士擘住论文 1 3 研究现状 由于许多国家都发生过球罐脆性开裂事故，其后果非常严重，甚至是灾难 性的。国外已采用先进的分析设计方法设计球罐和对在役中的球罐进行强度分 析。目前压力容器及其部件的设计可分为基于弹性失效准则的“规则设计” ( d e s i g n b y r u l e ) 和基于塑性失效准则的“分析设计”( d e s i g n b y a n a l y s i s ) 。其中 分析设计法是工程与力学紧密结合的产物，不仅能解决压力容器常规设计所不 能解决的问题，而且代表了近代设计的先进水平。 分析设计的理论基础是板壳力学、弹性和塑性理论以及结构的有限单元法。 美国a s m e 锅炉及受压容器规范是以应力分析设计为基础的历史最早的压力容 器规范，我国分析设计规范是在美国a s m e 锅炉及受压容器规范第八卷第2 分 篇的基础上建立起来的，并于1 9 9 5 年在全国开始实施h ，也就是j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器分析设计标准曙】，该标准是以分析设计为基础的钢制压力容 器标准，提供了以弹性应力分析和塑性失效准则、弹塑性失效准则为基础的设 计方法，对选材、制造和验收规定了比g b l 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器f 6 1 更为严 格的要求，若与o b l 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器同时实施，在满足各自要求的条 件下，可选择其中之一使用。该标准适用于设计压力大于等于0 1 x 1 0 p a 且小于 1 0 0 x 1 0 6 p a 的容器，以及真空度高于或等于0 0 2 x 1 0 6 p a 的容器；适用的设计温 度是低于以钢材蠕变控制其许用应力强度的相应温度。 g b l 2 3 3 7 1 9 9 8 钢制球形储罐属常规设计方法，该标准规定了碳素钢和 低合金钢制球罐的设计、制造、组焊、检验与验收的要求，适用于设计压力不 大于4 1 0 s 尸臼的桔瓣式或混合式以支柱支撑的球罐；适用的设计温度范围按钢 材允许的使用温度确定。球罐的设计、制造、组焊、检验与验收除必须符合本 标准的规定外，还应符合g b l 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器的规定。g b l 5 0 - 1 9 9 8 钢制压力容器适用于设计不大于3 5 x 1 0 6 p a 的容器。 钢制球罐的应力分析和强度评定，主要依据g b l 2 3 3 7 1 9 9 8 钢制球形储罐 和j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器一分析设计标准。我国球罐设计标准最早采用 中国科学技术大学硕士学位论文 的是常规设计，即为建立在第一强度理论( 最大主应力理论) 基础上的传统设计方 法，得到的结果较为保守。现多采用j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器分析设计标 准，利用应力强度( s t r e s si n t e n s i t y ，即s n n t ) 作为强度校核的准则，其实质是第 三强度理论。 在对钢制球罐应力分析过程中，有多种分析方法，如解析法，数值法等， 其中有限元法是适应计算机技术而发展起来的一种比较有效的数值方法，其实 质就是具有无限个自由度的连续体理想化为只有有限个自由度的单元集合体， 使闯题简化为适合于数值解法的结构型问题。目前常采用的有限元分析软件主 要是a n s y s 。a n s y s 公司于1 9 7 0 年由j o h ns w a n s o n 博士创建，其总部位于 美国宾夕法尼亚洲的匹兹堡，开发的a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、 声学于一体的大型通用有限元分析软件，已广泛应用于机械、交通、军工、电 子、生物医学、水利、石油化工、能源、航空航天等许多领域。3 0 年来a n s y s 软件不断吸取新的计算方法和计算技术，随着交互方式的加入，简化了模型的 生成和结果的评价。特别是其强大的后处理功能，大大地简化了设计人员在有 限元分析完成后的数据处理和结果分析，减少了应力分析设计时间，缩短了设 计的周期订1 。 钢制球罐时常盛装着具有腐蚀性的介质，这严重影响着球罐的安全运行和 使用寿命。在石油、化工行业，每年由于腐蚀造成的经济损失难以估计，这些 由于环境介质苛刻化带来的一系列危险使人们措手不及。因此，工业发达国家 从上个世纪7 0 年代开始系统研究苛刻介质对设备的腐蚀影响，建立了研究和管 理腐蚀的全国性机构，成立了各种国际性组织，举行了专题的学术会议研究讨 论腐蚀问题，形成了大量专著和专业性期刊。目前比较成熟的压力容器缺陷评 定方法主要包括：以线弹性断裂力学( 应力强度因子k 准则) 为基础的评定方法， 如美国机械工程师协会a s m e 方法；以弹塑性断裂力学( c o d 准则) 为基础的评 定方法，如英国标准协会p d 6 4 9 3 方法，中国c v d a - 8 4 、s a p v - 9 5 等；以j 积 分为基础的评定方法，如美国电子研究院e p r i 方法；以脆性断裂和塑性失稳双 判据( j 准则) 为基础的评定方法，如英国中央电力局c e g b r 6 方法等四大类。目 中田科学技术大擘项士擘住论文 前，各种方法有逐渐演变融合的统一发展趋势嘲哼。 目前在此类工程压力容器问题的研究中，有一些主要涉及理论层面，诸如 在压力容器分析设计时如何进行合理的应力分类以及校核线的位置和方向如何 选择等问题的分析研究中，陆明万f l o j 周羽 1 1 1 王磊2 1 等人分别给予了综合 全面的阐述；在工程实际应用方面多是采用一种具体的方法解决一个具体问题， 或者是直接给出些分析结果进行论述。李永泰等订3 d 韶在1 0 0 0 0 坍，丁烷和天然 气球罐、3 2 0 0 m 3 液化石油气球罐等问题的研究中，重点对不同支柱型式及其与 球罐连接结构进行了有限元分析和研究，对我国大型重介质球罐的设计提出了 一些基本原贝q ；在1 0 0 0 m 3 氧气球罐的应力分析设计中，对球罐整体及其上下极 开孔结构压力试验工况、操作工况、地震工况和压力波动疲劳工况的有限元计 算结果进行了分析和强度评定，提出了一些分析处理的方法。陈学东等n ，锄3 通过试验的方法，研究讨论了某些压力容器用钢在一定工作环境中的力学性能， 用以对裂纹扩展速率或者寿命进行分析评估。现有的研究成果和取得的经验， 对于球罐分析设计的具体过程或者如何保证分析过程的准确性而言还少有研究 讨论，也没有对钢制球罐从设计到在役的情况进行全过程的综合分析，因此， 利用在这两个方面进行一些探索也是一个有益于指导工程实践的重要课题。 1 4 本文研究工作的目的和意义 在工程问题中的处理中，各种计算机辅助模拟手段有了大量的应用，钢制球 罐的分析设计也是如此。由于采取的计算机辅助手段、模拟方法和依据的设计标 准、强度理论有所不同，所以得出的结论往往会有所差别，甚至不同的工程技术 人员采取同样的手段、方法和标准、理论处理同一个问题仍然可能没有得到一致 的结论。 本文通过对1 0 0 0 m 3 钢制球罐进行系统完整的有限元分析设计和强度评定， 寻求在实践中解决或者尽可能避免这种得不到一致结论问题的方法，探讨钢制 球罐从设计中的强度评定到在役中的剩余寿命预测这样一个全面的分析过程， 中田科学技术大学硕士学位论文 完成该石化企业委托的工程项目，同时为此类压力容器进行分析设计、强度评 定和寿命预测提供借鉴和参考。 1 5 本文的主要工作 1 利用a n s y s 软件，采取两种不同的有限元建模和网格划分方案，分别在 液压试验、设计和疲劳三种工况下，对1 0 0 0 m 3 球罐分别进行分析设计和强度评 定，并对不同工况下的球罐整体及其重要局部结构的第三应力强度最大应力位 置及大小进行分析比较，得到在工程中可以接受的结果。 2 针对在役钢制球罐的工作状况，对常用腐蚀疲劳模型进行分析比较，并 对球罐设计所使用的球壳材料在腐蚀环境中的剩余寿命迸行预测估算，得出裂 纹扩展与剩余寿命之间的关系。 喜 中田科学技术大擘硕士学位论文 第2 章钢制球罐有限元应力分析及强度评定 2 1 球罐结构及几何尺寸 钢制球罐由球壳、上下人孔、进出气孔、支柱、托板、拉杆等部分组成，球 罐上下人孔各一，采用b 型支柱u 型托板结构，支柱个数8 。球罐的上下人孔、进 出气孔以及支柱、托板与球壳连接处是球罐疲劳分析的重点，为简化计算，但又 不影响分析结果，在建立有限元模型时，主要考虑这些结构。 钢制球罐示意图及结构尺寸如图3 所示，其中图( a ) 为球罐整体结构及部分 尺寸；图( b ) 为支柱上段，托板与球壳连接处的相互关系和尺寸；图( c ) 为上 下人孔凸缘截面尺寸；图( d ) 为进出气孔凸缘截面尺寸，且孔中心距过球罐中 心铅垂轴1 1 m ；图( e ) 和图( f ) 为托板结构及尺寸。除图1 中的尺寸标注外，球 壳厚度0 0 4 4 m ，支柱o 4 2 6 x 0 0 1 2 m ，支柱盖帽内径o 4 2 6 m 、厚0 0 1 2 m ，拉杆直 径o 0 2 5 m 。 ( a ) 中田科学技术大擘硕士学位论文 叫卜 图3 钢制球罐示意图及结构尺寸 国 中国科学技术大学硕士学位论文 2 2 球罐材料及其特性 球罐壳体材料为0 7 m n n i c r m o v d r ，孔凸缘材料为0 8 m n n i c r m o v d ，支柱 及托板为1 6 m n r ，拉杆材料为2 0 号钢。球壳，孔凸缘、托板及支柱等材料的 弹性模量为2 0 6 x 1 0 t 1 p a ，拉杆材料的弹性模量为1 9 2 x 1 0 “p a ，泊松比为0 3 。 球壳材料的抗拉强度为6 1 1 0 p a ，屈服强度盯，为4 9 x 1 0 。p a ；孔凸缘 材料的抗拉强度为6 x 1 0 。p a ，屈服强度q 为4 8 1 0 s p a ；支柱及托板材料 的抗拉强度吼为5 1 x 1 0 p a ，屈服强度吒为3 4 5 x 1 0 。p a 。 2 3 有限元分析模型、单元及网格划分 采用中国压力容器标准化技术委员会认证的有限元软件a n s y s 进行数值计 算。 考虑到1 0 0 0 m 3 钢制球罐结构的对称性，取原结构的1 2 作为研究对象。首先 采用距球壳中心6 1 5 x o o s 2 2 5 。的上下水平工作平面横向剖切球壳的上、下球冠， 这样的尺寸选择一方面保证球冠的外径尺寸略大于上下人孔凸缘的外径，另一 方面其差值也应大于上下人孔凸缘网格划分时的尺寸，使得类似于球壳上下温 带的规则区域能够划分更多的网格，一般可通过程序调试使剖切满足要求。支 柱上段、托板与球壳连接处作为重点考察区域，分别采取两种方案来处理。 由于剖切方法不同，网格划分也将不同，一般考虑将远离截面突变区的网 格划分得粗一些，截面突变区或需要重点考察的部分网格划分得细一些。网格 划分的原则是在满足工程精度要求的前提下，单元数目应尽量划分得少一些。 鉴于该球罐结构复杂，相互交接区域有截面突变，可综合考虑计算精度、计算 时间、建模工作量等各方面，采用混合网格的划分方式。根据其各部位特点，分 别采用自由、扫掠等多种网格划分方式，以形成综合效果尽量好的有限元模型。 可首先考虑对适合扫掠或映射网格划分的区域划分六面体网格，若无合适的区 中因科学技术大学硕士学位论文 域，应尽量通过切分等多种布尔运算手段来创建合适的区域；其次对实在无法 再切分的区域，可采用二次单元进行自由网格划分，此时在该区域与已进行扫 掠或映射网格划分区域的交界面上，会自动形成金字塔过渡单元，以保证网格 的协调性2 。 球罐模型共采用三种单元，四面体l o 节点s o l i d 9 2 单元，六面体8 节点 s 0 1 i d 4 5 单元，杆2 节点l i n k 8 单元，其中建立杆单元后，必须进行节点自由度耦 合来实现拉杆销接，避免出现应力集中 2 2 1 0 2 3 1 方案一 在支柱上段、托板与球壳连接处，采取水平工作平面横向剂切的方法，所 剖切的球壳高度上下分别大于支柱盖帽最上端、托板最下端0 2 m ，这个尺寸要 保证略大于局部球壳部分网格划分时的最小尺寸。剖切后的局部模型如图4 。 网格划分时先对类似于球壳上下温带的规则区域、支柱下段按s o l i d 4 5 单元 扫掠划分，托板、支柱上段、球壳上下极及进出气孔、上下人孔凸缘按s o l i d 9 2 单元自由划分，之后拉杆按l i n k 8 单元建立，并分别与支柱进行节点自由度耦合 共生成单元4 6 6 5 3 个，节点9 0 9 8 8 个。网格划分后如图5 ，图中l i n k 8 单元的节点 已经实现了自由度耦合。 图4 方案一的局部模型 中固科学技术大学硕士学位论文 图5 方案一的有限元网格 图6 方案二的局部模型 中田科学技术走擘硕士学住论文 2 3 2 方案二 图7 方案二的有限元网格 在支柱上段、托板与球壳连接处，建立一个四周尺寸分别大于支柱盖帽外 轮廓、托板最下端，支柱外轮廓各0 2 m 的隧道式的环形薄面，这个尺寸要保证 略大于局部球壳部分网格划分时的最小尺寸。剖切后的局部模型如图6 。 网格划分时首先对支柱下段按s o l i d 4 5 单元扫掠划分，托板、支柱上段、球 壳上下极、由隧道式环形薄面剖切球壳后的四个剖切块及进出气孔、上下人孔 凸缘按s o l i d 9 2 单元自由划分，球壳其余部分按s o l i d 4 5 单元自由划分，之后拉 杆按l i n k 8 单元建立，并分别与支柱进行节点自由度耦合。共生成单元6 1 6 2 3 个， 节点8 5 4 4 2 个。网格划分后如图7 ，图中l i n k 8 单元的节点已经实现了自由度耦合。 中因科学技术大学项士学位论文 2 4 载荷、边界条件及有限元计算 根据j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器分析设计标准规定，复合应力状态采 用最大剪应力理论作为失效理论，应力强度确定为给定点处最大剪应力的两倍， 其实质也就是第三强度理论，所以本文主要对计算得到的第三应力强度的情况 进行分析比较 2 4 1 液压试验工况时的载荷、边界条件及有限元计算 由于模型的对称性，约束对称面上的法向位移，支柱下端按固支边界处理， 约束全部位移。受结构重力、液压介质重力和试验压力的作用下，球壳内侧上 极点压力3 2 8 x 1 0 e p a 、球壳内侧下极点压力3 3 8 x 1 0 6 p a 重力惯性加速度 g ，= 9 、8 m s 2 。在输入加速度时，其方向应与实际工作方向相反，因为a n s y s 是 将重力以惯性力的方式施加的捌。 液压试验工况下两种方案有限元计算后球罐整体第三应力强度应力云图如 图8 、图9 。 图8 方案一液压试验工况时球罐整体第三应力强度应力云图 中困科学技术大学硕士学住论文 图9 方案二一液压试验工况时球罐整体第三应力强度应力云图 从图8 、图9 可以看出，球罐在液压试验工况时，两种方案的有限元计算结 果均显示第三应力强度最大应力出现在球壳下端进出气孔内侧，其位置是一致 的，而上下人孔、进出气孔、球壳与托板连接处、球壳与支柱上段连接处经局 部分析，显示应力比较大，需要进一步研究。 中田科学技术大学硕士学位论文 图l o 方案一液压试验工况时球壳整体第三应力强度应力云图 图l l 方案二液压试验工况时球壳整体第三应力强度应力云图 中国科学技术大擘硕士学位论文 图1 2 方案一液压试验工况时下人孔第三应力强度应力云图 图1 3 方案二液压试验工况时下人孔第三应力强度应力云图 - 1 8 中田科学技术大学硕士学位论文 图1 4 方案一液压试验工况时进出气孔第三应力强度应力云图 图1 5 方案二液压试验工况时进出气孔第三应力强度应力云图 中田科学技术大学硕士擘位论文 图1 6 方案一液压试验工况时托板第三应力强度应力云图 图1 7 方案二液压试验工况时托板第三应力强度应力云图 中固科学技术大学硕士学位论文 图1 8 方案一液压试验工况时托板第三应力强度应力云图 图1 9 方案二液压试验工况时托板第三应力强度应力云图 中田科学技术大学硕士学位论文 液压试验工况时球罐局部结构的第三应力强度应力云图如图l o 至图1 9 所示。 图1 0 、图1 1 分别为采用方案一和方案二得到的球壳部分第三应力强度应力云 图；图1 2 、图1 3 分别为采用方案一和方案二得到的上下人孔凸缘中应力较大的 下人孔凸缘第三应力强度应力云图；图1 4 、图1 5 分别为采用方案一和方案二得 到的进出气孔凸缘第三应力强度应力云图；图1 6 、图1 7 分别为采用方案一和方 案二得到的四个托板中应力较大者的第三应力强度应力云图：图1 8 、图1 9 分别 为采用方案一方案二得到的四个支柱上段中应力较大者的第三应力强度应力云 图。 从图l o 至图1 9 中可以看出，两种方案时这些应力较大的局部结构的第三 应力强度是最大应力位置也基本一致，提取这些第三应力强度最大应力值做一 比较，并取均值后求出相对误差。由表1 可知，液压试验工况时这两种方案的 有限元计算结果较为吻合，相对误差最大未超过3 。 表l 液压试验工况作用时球罐应力比较 进出气孔 第三应力强度 球罐整体球壳局部下人孔凸缘 托板支柱上段 凸缘 最大应力位置 下端进出球壳与下人孔内侧拐角 孔内侧拐 最下端支支柱盖帽 角过渡圆撑部与球顶端与球 气孔内侧孔连接处过渡圆弧处 弧处壳连接处壳连接处 踹 方案l4 5 93 2 73 7 3 4 5 93 5 9姐6 方案2 4 5 43 2 53 6 94 ：5 43 8 03 3 l 平均值( 1 0 6 p a ) 4 5 6 5 3 2 63 7 14 5 6 53 6 9 53 2 8 5 相对误差n 5 5 o 3 l n 5 4 o 5 5 2 8 4 n 7 6 2 4 2 设计工况时的载荷、边界条件及有限元计算 受结构重力、物料介质重力及介质压力的作用下，球壳内侧上极点压力 2 6 2 5 x l o s p a 、球壳内侧下极点压力2 6 2 9 x 1 0 6 p a 。重力惯性加速度 岛= 9 8 m a 2 ，其方向与实际工作方向相反。地震载荷按照g b l 2 3 3 7 9 8 钢制 球形储罐处理为水平加速度，& = o 9 3 5 4 m s 2 ，与重力加速度合成为斜向加 速度 2 3 1 加速度输入方向与实际工作方向相反。风载为4 0 0 p a ，施加于球壳的 中田科学技术大学硒士学位论文 1 1 4 外表面。风载的施加方向与地震载荷的作用方向一致，这样考虑为设计工况 的极限情况，否则会出现抵消现象。 设计工况时两种方案有限元计算后球罐整体第三应力强度云图如图2 0 、图 2 l 。 图2 0 方案一设计工况时球罐整体第三应力强度应力云图 圈2 l 方案二设计工况时球罐整体第三应力强度应力云图 _ 2 3 - 中田科学技术大学硕士学位论文 从图2 0 、图2 l 可以看出，球罐在设计工况时，两种方案的有限元计算结果 均显示第三应力强度最大应力出现在球壳下端进出气孔内侧，其位置是一致的。 同液压试验工况的比较结果时的情况，上下人孔、进出气孑l 、球壳与托板连接 处、球壳与支柱上段连接处经局部分析，显示应力较大，需要进一步分析 通过分析可知，两种方案时这些应力较大的局部结构其第三应力强度最大 应力位置是基本一致的，提取这些最大应力值做一比较，并取均值后求出相对 误差。由表2 可知，设计工况时这两种方案的有限元计算结果也比较吻合，相 对误差最大未超过3 。 表2 设计工况作用时球罐应力比较 球罐整体 球壳部分下人孔凸缘 进出气孔 托板支柱上段 第三应力强度 凸缘 最大应力位置 下端进出球壳与下人孔内侧拐角 孔内侧拐最下端支支柱盖帽 角过渡圆撑部与球 顶端与球 气孔内侧 孔连接处过渡圆弧处 弧处壳连接处壳连接处 应力值 方案1 3 5 7 2 5 4 2 9 13 5 72 8 42 6 2 ( 1 0 p a ) 方案2 3 5 32 5 32 8 73 5 32 7 52 7 7 平均值( 1 0 6 p a ) 3 5 52 5 3 52 8 93 5 52 7 9 52 6 9 5 相对误差 o 5 黝0 2 0 0 6 9 o 5 觎1 6 1 2 7 8 2 5 钢制球形储罐强度评定 塑性理论指出，由弹性应力分析求得的各类名义应力对结构破坏的危险性 是不同的。根据等安全裕度原则，危险性较小的应力可以比危险性较大的应力 取更高的许用应力强度值。同时，由板壳理论或弹性力学求解出的应力，根据 产生应力的原因和导出应力的方法可分为三类共五种，即一次总体薄膜应力、 一次局部薄膜应力、一次弯曲应力、二次应力和峰值应力钔。 2 5 1 应力分类及应力等效线性化 在压力容器的应力分析设计过程中，压力容器部件设计所关心的是应力沿 壁厚的分布规律及大小，可采用沿壁厚方向的“校核线”来代替校核截面。而 中闻科学技术大学硕士学位论文 基于弹性力学理论的有限元分析方法，是一种对结构进行离散化后再求解的方 法。即它计算出来的是结构离散化后节点的应力值。为了获得所选“校核线” 上的应力分布规律及大小，采用应力等效线性化原理对节点上的应力值进行后 处理，即应力分类。 a n s y s 软件可以用图示或列表方式来显示用户所定义截面上节点计算结果 的分布，即路径操作( p a t ho p e r a t i o n ) ，也就是应力等效线性化方法。将容器 危险截面上各应力分量沿应力分布线进行均匀化和线性化处理，并将得到沿应 力分布线的平均应力( 薄膜应力) 、线性应力( 弯曲应力) 和应力的非线性部分， 再根据应力对容器失效所起的作用的大小分为一次总体薄膜应力、一次局部薄 膜应力、一次弯曲应力、二次应力和峰值应力，并计算出不同应力类型及其组 合的应力强度，要求相应的应力强度不超过各自的许用值。这种沿容器壁厚应 力分布的等效线性化处理是对有限元应力分析结果进行应力分类的一个重要环 节，4 己被国内外普遍采用1 。 应力评定线需要穿过容器内外表面，评定线应当取最危险的截面，然而只 有计算出评定线上的各种应力强度之后才会知道哪一条线最危险，因此应当在 最大应力位置及临近区域尽可能多地取评定线，分别进行评定旺 。对于球罐找 出沿径向的最短路径需要一定技巧，分析者应确保找出的路径是最短的并尽量 沿壁厚方向。只有这样线性化的结果才是正确的嘶1 。 2 5 2 强度评定 根据1 0 0 0 m 3 球罐模型有限元计算结果，参照3 8 4 7 3 2 - 1 9 9 5 钢制压力容器一 分析设计标准，选择球壳部分、下人孔凸缘、进出气孔凸缘、托板及支柱上 段具有最大应力的截面，在截面上过最大应力点沿壁厚方向确定一条应力处理 线，进行应力等效线性化处理，得到了不同工况时两种方案的组合应力强度值， 然后按照分析设计标准的要求进行强度评定雎刀。如表3 所示，经逐一评定可知 均满足强度要求，对方案一、方案二分别在不同工况时经应力等效线性化处理 中国科学技术大学项士学位论更 后的强度评定值进行相对误差分析，可知最大不足4 。 通常情况下，由于有限元建模和网格划分形式不同，产生的单元和节点的 具体情况也将不同，以及分析者个人的经验等原因，在应力等效线性化时，选 择的路径会有一定差别，得到的强度评定值也会有所差异，但不应该影响到强 度评定的结果。 表3 球罐应力等效线性化结果及强度评定 应力 液压试验工况 设计工况许用极限 评定 位置 相对相对液压试验工挽设计工况 分类 方案1方案2方案i方案2 结果 误差误差 o 净1 2 5 )( k = 1 2 ) s l2 3 1 42 3 2 3 0 1 9 1 8 2 6 1 8 3 6o 撕 k s ，2 5 0k s ， 2 4 0 通过 球壳s 2 7 3 52 7 0 40 ，5 7 2 1 2 82 1 0 40 5 7 1 5 k s m = 3 7 51 5 k s m - - 3 6 0 通过 部分 s m 2 8 6 42 9 5 31 5 3 2 3 8 02 3 z oo 2 1 1 5 k s 。- - 3 7 51 5 k s m = 3 6 0 通过 s 3 3 8 83 6 5 83 8 3 2 7 2 “63 8 1 3 s f 6 0 0 3 s m f f i 6 0 0 通过 s _1 6 2 61 5 6 22 ，0 1 1 2 6 51 2 1 52 0 2 1 5 k s m f f i 3 2 4 4 l5 k s m = 3 1 1 4通过 下人孔 s m 3 1 5 4 3 1 3 3 0 3 3 2 5 1 12 4 0 92 0 t 5 k s m = 3 2 4 41 5 k s 。= 3 1 1 4通过 凸缘 s s 3 6 7 43 6 3 ，305 麟2 8 5 92 8 2 60 5 3 s m = 5 1 93 s m = 5 1 9 通过 进出 s 1 8 9 91 8 1 92 1 5 1 4 7 71 4 1 52 1 4 1 5 k s 。= 3 2 4 d l5 k s ，3 1 1 4 通过 气孔s m 3 5 1 03 3 0 53 0 1 2 7 3 22 7 6 30 5 6 1 5 k s m - 3 2 4 41 s k s m = 3 1 1 4通过 凸缘s 4 5 4 64 4 9 60 5 5 3 5 3 63 4 9 8o | 5 4 3 s , = 5 1 93 s 。= 5 1 9 通过 s i 2 2 6 92 4 4 63 7 5 1 7 7 51 8 4 82 0 1 l ，5 k s m = 3 2 4 4i 5 k s