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大庆石油学院工程硕士专业学位论文 在役液氨储罐应力场有限元分析与安全评定 摘要 储罐由于受到外界环境的影响和内部介质的腐蚀，一般都带有缺陷，为了保证储罐 的正常运行就需要重新考虑储罐工作时的应力状态。本文是利用有限元软件一a n s y s 对大 庆石化公司化肥厂合成氨工艺中液氨储罐进行应力分析。分析的内容包括对储罐在腐蚀 前、腐蚀后( 1 9 9 8 年) 、腐蚀后( 2 0 0 4 年) 三种状态时在重力作用和工作状况下这六种 工况的应力状态。根据应力场和位移场判断储罐是否能安全生产。根据壁厚的改变值算 出平均腐蚀速率，假定储罐腐蚀速率是恒定的，分别推算出2 0 1 0 年和2 0 1 6 年储罐各部 分的壁厚，改变模型的壁厚，分别求出2 0 1 0 年和2 0 1 6 年工况下的应力状态，并对这几 年应力状态进行安全性评估。 关键词：有限元；储罐；应力场；位移场；缺陷 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 1 h 匣f d 硼甩，e m 日q ta n a iy s i sa n ds a f r y e ，a iii f 钮0 n o ft h ew o r k i n g l i q u i d a m m o n i a t a n k a b s t r a c t t a n kg e n e r a l l yh a sf l a wb e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo ft h ei n n e ra n de x t e r n a le n v i r o n m e n t c o r r o s i o n i no r d e rt ok e e pt h en o r m a lw o r kc o n d i t i o no f t h et a n ks t r e s sc o n d i t i o no f t a n kn e e d t ob er e c o n s i d e r e d t h i st e x ti st om a k eu s eo fas o f t w a r e - a n s y st ot h ef e r t i l i z e rf a c t o r yt o m a k es t r e s sa n a l y s i so ft e c h n i q u eo fl i q u i da m m o n i at a n k t h ea n a l y t i c a lc o n t e n t si n c l u d eo f w o r kc o n d i t i o n so f t a n ku n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tn oc o r r o s i o n ，i n1 9 9 8 ，i n2 0 0 4t h r e ek i n d so f s t r e s sc o n d i t i o ni nt h eg r a v i t yf u n c t i o na n dw o r kc o n d i t i o n a c c o r d i n gt ot h es t r e s sf i l e da n d s t r a i nf i l e dj u d g e a c c o r d i n gt ot h ec h a n g ev a l u et h eo fw a l lc a l c u l a t eo u ta v e r a g ec o r r o s i o n v e l o c i t y o ns u p p o s ek e e p i n gt h eac o r r o s i o nv e l o c i t yi si n v a r i a b i l i t y , c a l c u l a t eo u t2 0 1 0a n d 2 0 1 6n l i c k o f t h e w a l l p a r t r e s p e c t i v e l y c h a n g e t h e l l l i c k o f ：t h e m o d e l ，c a l c u l a t e o u t 2 0 1 0 a n d 2 0 16s t r e s so f w o r kc o n d i t i o nr e s p e c t i v e l ya n dm a k es t r e s sa n a l y s i ss a f ee v a l u a t i o n k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n t ；t a n k ；s t r e s sf i e l d ；s l a l nf i e l d ；d i s f i g u r e m e n t i j 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第1 章概述 1 1 国内外立式储罐的发展和研究状况 1 1 1 国内外立式储罐的发展 随着石油化工工业的发展以及国家原油战略储备库项目的实施，储罐的大型化将成 为发展的必然趋势。目前世界上已建成的大型储罐数量逐年增加，如早在1 9 6 7 年在委 内瑞拉就建成了1 6 x 1 0 4 m 3 的浮顶储罐，1 9 7 1 年日本建成了2 0 x 1 0 4 m 3 的浮顶储罐，而世 界产油大国之一的沙特阿拉伯也已成功建造了2 0 x 1 0 4m 3 的浮顶储罐“1 。 国内大型储罐发展从2 0 世纪7 0 年代开始，1 9 7 5 年，国内首台5 x 1 0 4 m s 浮顶储罐在 上海陈山码头建成。继后，在石化企业、港口、油田、管道系统建造了数十台5 x 1 0 4 m 3 浮顶储罐。2 0 世纪8 0 年代中后期，国内开始建造l o x l 0 4 m s 的大型浮顶储罐，迄今为止， 已经先后在秦皇岛、大庆、仪征、铁岭、黄岛、舟山、大连、山东、兰州、上海、镇海、 燕山、湛江等地建造了8 0 余座l o x l 0 4 i n 3 浮顶储罐。到目前为止，国内建成并投入使用 的最大容积的大型浮顶储罐是中国石化集团公司建造的油罐1 5 x 1 0 4 m 3 。1 。 1 1 2 储罐大型化的优点 节省钢材，减少投资。储罐容积越大，单位容积所需要的钢材量越少。相同的容积， 由大罐组成要比小罐组成节省大投资。 占地面积小，因为罐和罐之间要有一定的距离，所以在相同的容积情况下，用几台大 罐比一群小罐的占地面积要节省的多。 便于操作管理并且节省管线及配件。几台大罐与一群小罐相比，库区管网要简单的 多，在检修、维护、保卫等方面都比较方便。1 。 1 1 3 现阶段研究状况 储罐在石油化工行业中有着广泛的应用，而且近年来随着制造工艺的提高其容积有 逐渐增大的趋势。随着容积的增大，储罐在设计和使用中的安全可靠性就变得极为重要。 目前储罐及其部件的设计可以参照压力容器的设计规范，其分为基于弹性失效准则 的规则设计( d e s i g nb yr u l e ) 和基于塑性失效准则的“分析设计”( d e s i g nb ya 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，它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。1 。 为了确保储罐在生产中的安全，工厂都会定期对储罐进行检修，其中包括外观检修， 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 打开人孔进行检查，做理化检验，无损检测等等。但是随着储罐的使用，储罐的结构、 壁厚等参数都发生了变化，储罐在这种变化下还能不能满足工作的要求? 这就需要我们 对储罐的现状进行分析，做出判断。现在最常用的分析就是应力分析，其目的就是求出 结构在承受载荷以后结构内应力分布情况，找出最大应力点或求出当量应力值，然后对 此进行评定，当应力值在许用范围以内时，结构满足要求，可以安全生产。当应力值超 出许用应力时，储罐是危罐，应该立即停止使用或者采取合适的方法来补救。 常用的应力分析的方法有两种：一种是解析的方法，分为精确解，近似解；另一种 是数值的方法，分为有限差分法，有限元法等。精确解法在解决弹性问题时通常已经知 道结构的形状与几何尺寸、材料常数、弹性模量、泊松比、屈服极限、内压力、表面力、 体积力、温度载荷、结构的约束情况等。有了这些条件，从理论上讲就可以用弹性力学 的方法，通过平衡方程、几何方程、物理方程、变形协调方程及边乔条件求得问题的解 答。求出的应力、应变和位移都可以表示为结构内某点坐标的连续函数。但是，由于弹 性力学涉及到的平衡方程、几何方程等都是偏微分方程，只有少数情况下才能求得解答， 因此使解析方法受到很大的局限，在解决实际问题上没有能充分发挥作用。近似解法通 常是采用能量原理与变分来寻求近似解。有限差分法主要是从数学上对弹性力学基本方 程作近似处理，把基本偏微分方程和由边界条件所确定的方程化为对应的有限差分方 程。用差分代替微分，最终形成线性微分方程组，把微分方程问题化成了求线性代数方 程组的问题。实际上也是一种离散化处理的方法。后来，由于有限元方法的迅速发展， 有限元的许多优越性是差分法所不具备的，因此，使用有限差分法解决工程问题越来越 少了。有限元法于1 9 5 6 年开始，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“1 ，但是由于计算机尚未迅速发展，有限元的使用和发 展受到了很大的限制。到上个世纪7 0 年代，有限元处于“文艺复兴时期”，广泛使用， 压力容器界也开始使用有限元方法解决容器中的具体问题。同时，在这个时期有限元方 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 有限元中渗透，使有限元如虎添翼。不仅在固体力学领域，而且在其他连续领域中也发 挥了重要作用，解决了越来越多的工程问题。 有限元法可以说是对问题的一种物理近似法，它与差分法不同的是，它不涉及原有 的微分方程，而是从能量原理出发，对结构进行离散化处理。即把连续的弹性体设想为 由许多有限个单元组成，这些单元的形状简单，每个单元仅在节点处按照一定的方式相 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需要在边界上若 2 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 干个节点应当遵守的条件。此外，还把结构所受到的各种载荷按一定的方法化为等效的 节点载荷。实际上，这就是把无限自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。以上这个过程称为结构的“离散化”处理“3 。 由于有限元法是采用有限个有限大小的单元节点处相连所组合成的离散体代替连 续的弹性体，这就是使用有限元法具有很强的适应性，即可以适应各种复杂的结构、载 荷及边界条件，也可以计算由不同材料组合成的结构。近年来许多功能较强的有限元软 件的不断涌现，前后处理功能的不断改进，可以输入比以前更少的信息便可以自动生成 网格及载荷移置，像a n s y s ，n a s t r a n 等软件还有等效线性化后处理功能，并将结果整 理出图象输出，极大地方便了设计者。有限元法目前不仅用于弹塑性分析，还可以用于 高温蠕变分析、大变形与屈曲分析，断裂分析等“1 。用有限元法与数学规划法相结合还 进行了不同载荷作用下的极限分析与安全性分析。有限元法作为一种有效的应力分析方 法正在成为压力容器应力分析的首先方法。 1 2 液氨储罐的简介 氨是生产含氮肥料及尿素的基本原料，一般以液态的形式从合成氨工厂送到这些肥 料厂。这就需要设置液氨贮存设施，以确保原料供应，为化肥厂连续生产创造必要条件。 氨在常压下，冷却到一3 3 4 就液化。故常压下液氨需在低于一3 3 4 c 贮存，而在常温下 应在压力容器内贮存。 按照不同地区的气温和贮存条件的变化，液氨的贮存原则上可在一3 3 4 3 内，以 控制其相应汽化压力确定工艺方案。一般采用压缩、低温或两者结合的方法，因此有三 种贮存工艺，即加压常温、加压低温和常压低温。国内通常将液氨的这三种贮存工艺称 为常温中压、降温低压和低温常压。 液氨储罐的设计温度为5 0 ，对应的设计压力为2 0 7 m p a ；而降温低压工艺是利用 制冷系统将液氨适当冷冻贮存，相应降低了贮存设备的设计压力以减薄其壁，从而降低 储罐的投资；至于低温常压工艺，则是将液氨冷冻至不高于它的沸点( 低于一3 3 c ，视 当地大气压而定) ，使得液氨对应的气相压力与大气压力相同或相近，从而可以采用常 压容器盛装贮存，以最大限度降低储罐投资。”。 上述三种液氨贮存工艺对制造液氨储罐的钢材用量有很大影响，随着储罐的工作温 度降低，储罐单位钢材用量可贮存的液氨量显著增大。常温储罐每吨钢材用量可贮存液 氨2 0 7t ；若温度降到0 ，则每吨钢材用量可贮存液氨i 0t 储罐容量可达2 5 0 一40 0 0 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 t 液氨；若贮存在一3 3 。c ，则每吨钢材用量可贮存4 0t 液氨，储罐容量可达45 0 0t 以 上。 1 3 论文研究的主要内容 大庆石化公司化肥厂合成氨工艺中使用的液氨储罐已经投产使用近3 0 年，由于外界 环境的影响和内部介质的腐蚀，液氨储罐的罐壁与投产时有很大的改变，为了能够保证 储罐的正常运行现在需要重新考虑储罐工作时的应力状态。 本文是利用有限元软件一a n s y 8 对大庆石化公司化肥厂合成氨工艺中液氨储罐进行 应力分析。 主要内容分为以下四个部分： 1 、腐蚀前储罐在重力和工作状况下的应力状态。 2 、腐蚀后( 1 9 9 8 年) 带缺陷储罐在重力和工作状况下的应力状态，根据应力场和位移 场来对储罐做一个安全性评估。 3 、腐蚀后( 2 0 0 4 年) 带缺陷储罐在重力和工作状况下的应力状态，根据应力场和位 移场来对储罐做一个安全性评估。 4 、假设腐蚀速率不变，推算出2 0 1 0 年和2 0 1 6 年储罐各部分的壁厚，分别算出工作 状况下的应力状态，最后把得到的几种工作状况下储罐各部分的应力状态进行比较：并 对液氨储罐做一个安全性预测。 4 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第2 章a n s y s 软件简介 2 1 介绍a n s y s a n s y s 公司创建于1 9 7 0 年，它开发并在全球各地销售工程模拟软件和技术，这些产 品和技术被多种行业的工程师和设计师采用，包括航天、汽车、制造、电子、生物医学 等各个领域。 有限元方法发展到今天，己成为一门相当复杂的工程实用技术。与学习理论相比， 学习软件的使用要简单得多。不需要掌握很深的理论知识，即可解决很多实际工程问题。 而且学习软件的使用，可以提高对有限元方法的感性认识，这对于学习理论知识将会有 帮助。a n s y s 软件是融结构、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。经过3 0 多年的发展，a n s y s 逐渐为全球工业界广泛接受 a n s y s 软件应用于机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、地 矿、生物医学、教学科研等众多领域，a n s y s 是这些领域进行国际国内分析设计技术交 流的主要分析平台。a n s y s 独具特色的多物理场耦合分析技术和涵盖优化设计、随机有 限元分析等在内的一体化的处理技术充分体现了c a e 领域的最新发展成就。3 。它能与多 数软件接口实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r ，n a s t r a n ，a l g o r ，i d e a s ，a u t o c a d 等。a n s y s 软件是第一个i s 0 9 0 0 1 通过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 o a ) 及近2 0 种专业技术协会认证的标准分析软件。在 国内，a n s y s 第一个通过了中国压力容器标准技术委员会认证并在国务院十七个部委推 广使用“。 2 2a n s y s 主要技术特点 a n s y s 作为一个功能强大，应用广泛的有限元分析软件，其技术特点主要表现在以 下几个方面： a 数据统一。a n s y s 使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理， 分析求解及多场分析的数据统一。 b 强大的建模能力。a n s y s 具备三维建模能力，6 u i ( 图形界面) 就可建立各种复杂 的几何模型”1 。 c 强大的求解功能。a n s y s 提供了数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适的 求解器。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 d 强大的非线性分析功能。a n s y s 具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、 材料非线性及状态非线性分析。 e 智能网格划分。a n s y s 具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元 网格。 f 良好的优化功能。利用a n s y s 的优化设计功能，用户可以确定最优设计方案； 利用a n s y s 的拓扑优化功能，用户可以对模型进行外型优化，寻求物体对材料的最佳利 用。 g 可实现多场耦合功能。a n s y s 可以实现多物理场耦合分析，研究各物理场间的相 互影响。 h 提供与其他程序接口。a n s y s 提供了与多数c a d 软件及有限元分析软件的接口 程序，可实现数据共享和交换”3 。 i 良好的用户开发环境。a n s y s 开放式的结构使用户可以利用a p d l ，u i d l 和u p f s 对其进行二次开发。 2 3a n s y s 主要功能 2 3 1 结构分析 结构分析用于确定结构在载荷作用下的静、动力行为，研究结构的强度、刚度和稳 定性。a n s y s 中的结构分析可分为以下几类： a 静力分析：用于分析结构的静态行为，可以考虑结构的线性及非线性特性。例 如，大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等。 b 模态分析：计算线性结构的自振频率及振型。 c 谱分析：是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变( 也 叫作响应谱或p s d ) 。 d 谐响应分析：确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应。 e 瞬态动力学分析：确定结构对随时间任意变化的载荷的响应，可以考虑与静力 分析相同的结构非线性特性。 f 特征屈曲分析：用于计算线性屈曲载荷，并确定屈曲模态形状( 结合瞬态动力学 分析可以实现非线性屈曲分析) 。 g 专项分析：断裂分析、复合材料分析、疲劳分析。 h 显式动力分析：它的显式方程求解冲击、碰撞、快速成型等问题，是目前求解 6 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 这类问题最有效的方法“。 2 3 2 热力学分析 热力学分析用于分析系统或部件的温度分布，以及其他热物理参数、如热梯度、热 流密度等。a n s y s 中的热分析分为。“： a 稳态热分析：用于研究稳态的热载荷对系统或部件的影响。 b 瞬态热分析：用于计算一个系统随时间变化的温度场及其他热参数。 c 热传导、热对流、热辐射分析：用于分析系统各部件间的温度传递。 d 相变分析：用于分析相变( 如熔化及凝固) 和内热源( 如电阻发热等) 。 e 热应力分析：热分析之后往往进行结构分析，计算由于热膨胀或收缩不均匀引 起的应力。 2 3 3 流体分析 流体分析用于确定流体的流动及热行为，流体分析分以下几类： a c f d - - - a n s y s f l o t r a n ：提供强大的计算流体动力学分析功能，包括不可压缩或 可压缩流体、层流及湍流、以及多组分运输等。 b 声学分析：考虑流体介质与周围固体的相互作用，进行声波传递或水下结构的动 力学分析。 c 容器内流体分析：考虑容器内的非流动流体的影响，可以确定由于晃动引起净水 压力。 d 流体动力学耦合分析：在考虑流体约束质量的动力响应基础上，在结构动力学分 析中使用流体耦合单元。 2 3 4 电磁场分析 a 电磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、 电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等。 b 静磁场分析：计算直流电( d c ) 或永磁体产生的磁场。 c 交变磁场分析：计算由于交流电( a c ) 产生的磁场。 d 瞬态磁场分析：计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场。 e 电场分析：计算电阻或电容系统的电场，典型的物理量有电流密度、电荷密度、 电场及电阻热等。 f 高频电磁场分析：用于微波、r f 无源组件、波导、雷达系统、同轴连接器等分析。 2 3 5 耦合场分析 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。当两个物理场之间相互影响 时，单独求解一个物理场得不到正确结果，因此需要将两个物理场组合到一起来分析求 解，a n s y s 中可以实现的耦合场分析包括：热一结构、热一磁、流体一热、流体一结构、热一 电、电一热一磁一流体一结构等。 2 4a n s y s 静力学分析简介 结构静力分析是最简单的分析形式，它用来分析在固定不变的载荷作用下，系统或 部件产生的位移、应力、应变以及力，然而静力分析不考虑惯性以及阻尼的影响。静力 分析很适合求解那些稳态载荷对结构的影响( 如重力和向心速度) ，以及那些可以近似为 等价静力作用的周期载荷作用下的结构的变形、应力、应变等情况“。 结构静力分析用来计算由那些不会产生显著的惯性和阻尼效应的载荷作用于结构 或部件上所引起的位移、应力、应变和力。在分析中，假定载荷和系统的状态都是固定 不变的，或者说是假定载荷和系统的状态随时间的变化非常缓慢。 静力分析所用载荷为结构受到固定外力，即外力大小不随时间改变，在静力分析中 所用的载荷如下“： ( 1 ) 外部施加的作用力以及压力。 ( 2 ) 稳态的惯性力( 例如重力或者向心速率) 。 ( 3 ) 强迫位移载荷( 位移非零) 。 ( 4 ) 温度载荷( 对于热变形) 。 ( 5 ) 能流( 对于核能膨胀) 。 结构静力分析包括线性静力分析和非线性静力分析。非线性静力分析包括所有的非 线性分析类型：大变形、塑性、蠕变、应力刚化、接触( 间隙) 单元、超弹性单元等。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第3 章a n s y s 准确性验证 通过圆柱形薄壳在均匀内压下的静力分析来验证a n s y s 值与理论值相近。 直径d = 3 0 4 8 m ，厚度t = 2 5 4 m m 的长圆柱薄膜壳体在均匀分布的内压荷载 p = 3 4 4 7 6 m p a 作用下( 如图3 1 所示) 。己知材料的弹性模量e = 2 0 7 g p a ，泊松比z = 0 3 ， 试利用薄膜单元s h e l l 4 1 ，确定该容器的轴向应力吒和环向应力d r y 。 喇澎 、 d = 3 0 4 8 n 图3 1 柱形薄壳在均匀内压作用下的计算模型 f i g3 1t h ec a l c u l a t i n gs t r e s s e sm o d e lo fc y l i n d r i c a lm e m b r a n ed u et oi n t e r n a l p r e ss u r e 3 1 理论解 根据圆柱形薄壳容器在均匀内压作用下的轴向应力公式： 盯，：型( 3 1 ) 。 4 f 环向应力公式： 盯，：卫(3-2) 2 f 代入上面数值，可以得到轴向应力和环向应力的值分别为： 9 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 仃，：堕：3 4 4 7 6 x 3 0 4 8 ：1 0 3 4 3 m p a “4 t4 2 5 4 仃。：型：3 4 4 7 6 x3 0 4 82 0 6 = 2 0 6 8 5 一m p a 仃。= l 2 一m 2 f2 2 5 4 圆柱薄膜壳体在均匀分布的内压荷载p = 3 4 4 7 6 m p a 作用下，垂直于轴线的横截面上 的应力应该等于式中的1 0 3 4 3 m p a 。 3 2a n s y s 分析 轴向长度可以任意选择。由于问题是轴对称的，所以只需要选择一个单元扇区。这 里选取了具有很小的1 0 0 圆心角的直边单元来模拟圆弧形曲线边，在边界节点上使用了 x 图3 2 用薄膜单元模拟受内压作用圆柱形薄壳的有限元模型 f i g3 2s i m u l a t e st h ef i n i t ee l e m e n to f ft h ec y l i n d r i c a lt h i ns h e l lsu n d e r i n t e r n a lp r e s s u r ew i t hm e m b r a n ee l e m e n t 节点耦合关系。注意：这里的模型在柱坐标系下，图3 2 中的1 3 边和2 4 边应该是圆弧 线，有限元模型如图3 3 所示。在横截面截开的边上旖加大小为1 0 3 4 3 m p a 的牵引应力 以模拟封闭效果。内压是通过在单元内表面施加正的压力来实现的。 通过a n s y s 计算得出受内压圆柱形薄壳的横截面上轴向应力云图如图3 4 所示，环 向应力云图如图3 5 所示，变形图如图3 6 所示。 1 0 太庆石油学院工程硕士专业学位论文 图3 3 圆柱形薄壳有限元模型 f i g3 3t h ee l e m e n tm o d e lo fc y l i n d r | c a lt h i ns h e s 图3 4 圆柱形薄壳的轴向应力云图 f i g3 4t h ea x i ss t r e s s e sc l o u dc h a r to fc y l i a d r i c a lt m ns h e l l 大庆石油学院工程硕士专业学位论立 图3 5 圆柱形薄壳的环向应力云图 f i g3 5t h ec i r c u m f e r e n t i a ls t r o s $ e $ c l o u dc h a r to fc y l i n d r i c a lt h i ns h el 1 图3 6 圆柱形薄壳变形图 f i g3 6t h ec y l ia d r i c a lt h i ns h e l l sd is t 0 1 t i o nc h a r t 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 由图3 4 和3 5 可以看出圆柱形薄壳的轴向应力为1 0 3 4 3 0 m p a 和环向应力为 2 0 6 0 6 7 m p a 。由图3 6 可以看出薄壳受内压产生均匀向外的位移，最大位移量是1 2 9 m m 。 受内压圆柱形薄壳的轴向应力和环向应力计算结果见表3 1 ，两向应力计算结果与 理论值非常的接近。 表3 1 受内压圆柱形薄壳的轴向应力和环向应力计算结果 t a b3 1t h ea x i sa n dc i r c u m f e r e n t i a ls t r e s s e sc a l c u l a t e dr e s u l t so fc y l i n d r i c a l t h i ns h e l1su n d e ri n t e r n a lp r e ss u r e 应力理论解数值解误差 轴向应力m p a 1 0 3 4 3 01 0 3 4 3 00 环向应力m p a 2 0 6 8 6 0 2 0 6 0 6 70 3 8 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第4 章液氨储罐不同工况的应力分析 4 1 模型的参数及建模 论文研究的对象是大庆石化公司化肥厂氨合成工艺中用到的一台7 5 0 0 m 3 液氨储罐， 此储罐是立式储罐，建于1 9 7 5 年，于1 9 7 6 年投入使用。设计压力是0 0 0 7 m p a ，操作压 力是0 0 0 3 5m p a ，设计温度一3 3 。c ，工作温度一3 3 。c ，筒体是单层卷焊组合而成，直线高 度2 1 4 6 3 m m ，拱顶高度2 8 7 2 m m ，全高2 4 3 5 5 m c a ；罐壁直径为2 1 3 3 6 m m ；拱顶半径为2 1 3 3 6 n n ， 在工作温度和工作压力下容量为5 0 0 0 吨氨。罐壁是由八圈5 6 块钢板组焊而成；罐底是 由4 9 块钢板组焊而成。该罐自投入生产来在1 9 9 0 年进行过全面的理化检验，在1 9 9 8 和2 0 0 4 年委托大庆石油学院声发射检测与结构完整性评价实验室做过无损检测。检测 结果表明：该罐罐壁整体状态较好，腐蚀轻微但是不存在泄露迹象，目前可以安全运行。 液氨储罐的实体模型如图4 1 所示，液氨储罐的顶部结构如图4 2 所示，储罐人孔 处的补强区域如图4 3 所示。 1 4 图4 1 液氨储罐实体模型图 f i g4 i t h e1 i q u i da m f n o f l i at a n ke n t i t ym o d e lm a p 查盎互鎏堂堕三墨堡主主些堂垡丝塞 一一 图4 2 液氨储罐的顶部结构图 f i g4 2t h e1i q u i da m m o n i at a n k s t r u c t u r ed r a w i n g 图4 3 罐壁人孔处的补强区域 f i g4 3s h e l lso ft a n km a n h o l er e i n f o r c er e g i o n 1 5 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 此罐是拱顶罐，在液氨的上方有一个吊平板，它通过7 8 根痧1 6 r a m 的外吊杆、7 8 根 1 6 r a m 的中间吊杆、2 4 根1 6 的内吊杆分别和7 8 根l 9 0 x 5 6 x 8 外椽、l 9 0 x 5 6 x 8 中椽 圈、l 9 0 x 5 6 x 8 顶椽圈相连接。中间椽圈、7 8 根外椽和4 8 根中椽相连接，外椽圈和内 椽圈通过中椽相连接。中间椽圈用一根主梁连接。 罐壁圈板由多块钢板焊接，他们之间的焊缝( 纵向) 采用对接连接，共有1 2 圈，每一圈 的轴向高度是1 6 0 0 m m 。第一圈壁厚1 4 m m 、第二圈壁厚1 2 m m 、第三、四、五圈壁厚l o m m 、 第六圈壁厚8 m m 、第七、八、九、十、十一、十二的壁厚均是7 r m 。吊平板和罐项的厚 度均为5 5 m m 。 拱顶是一种自支承形式的罐顶，形状近似球面，其周边支承于筒壁上，球面由中心 盖板和瓜皮板组成。瓜皮板为两层，一层有7 8 块，焊接在外椽上，一层有4 8 块焊接在 中椽上。瓜皮板和瓜皮板是相互搭接，搭接的瓜皮板在外侧使用连续焊，内侧为间断焊， 中心盖板搭在瓜皮板上。 由于液氨储罐的体积比较大，在筒壁上开的小孔在应力计算中影响很小，因此在建 模中忽略，只考虑距罐底1 2 6 0 m m 处的一个痧6 0 0 唧的人孔和吊平板上的三个6 0 0 m 的透 气口以及罐顶的一个6 0 0 m m 的人孔。人孔采用等材质等厚度的补强。 液氨储罐的罐壁和罐底采用的是1 6 m n d r ，当钢板的厚度6 1 6 珊时，屈服极限o 。= 3 1 5 m p a ；当钢板的厚度1 6 3 6 m m 时o , = 2 9 5 m p a ；吊平板和罐顶采用的是1 6 m n r ，屈服极限 是当钢板的厚度为6 1 6 m 时，o 。= 3 4 5 m p a ；当钢板的厚度是1 6 3 6 m m 时，0 。= 3 2 5 m p a 。 4 2 液氨储罐在腐蚀前的应力分析 这一部分主要研究腐蚀前受重力作用及重力和工作压力两种情况。 4 2 1 氨储罐在腐蚀前受重力作用下应力分析 在计算中给这个液氨储罐底部加上y 方向的约束，并在板的一条边上加全约束。重 力加速度g = 9 8 1 m s 2 。在后面的几种工况中也加上同样的边界条件。 根据a n s y s 计算得到的液氨储罐的等效应力云图如图4 4 所示、吊平板上的等效应 力云图如图4 5 所示。 由图4 4 可见此罐的最大挠度是1 6 5 5 5 8 m m 在罐顶的吊平板上。在重力的作用下此 罐的最大等效应力为2 0 3 5 1 8 m p a ，在吊平板上。详见图4 5 的m x 位置。通过列表可以得 1 6 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 到罐壁的最大等效应力值为7 2 9 2 m p a ，在筒壁上的人孔处。 此液氨储罐在顶的下方还有一个吊平板通过吊杆和罐顶连接，这样能给吊平板提供 向上的拉力。拱顶不但得支撑自身的重力还得受吊平板的一定向下的拉力，在拱顶和罐 壁的接触地方就会产生很大的应力。由图4 4 可以看出筒壁和罐顶的接触部分等效 应力比较大。 图4 4 液氨储罐的等效应力云图 f i g4 4 t h e1 i q u i da m m o n i at a n ke q u i r a l e n t 1 7 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 图4 5 吊平板上的等效应力云图 f i g4 5 t h es u s p e n d e dp l a t ee q u i v a l e n ts t r e s sc l o u dc h a r t 吊平板的直径是2 1 6 0 0 m m ，在距中心2 1 4 0 m m 的地方均布2 4 根吊杆，在半径小于 2 1 4 0 m m 的地方由于受到吊杆的拉力，中心挠度比较小，应力比较小，在吊平板上的最小应 力在以半径为2 1 4 0 m m 的区域内。 在距半径6 3 9 0 m m 的地方均布7 8 根吊杆，在内中心吊杆和中间吊杆之间的吊平板由 于重力作用，将会有一个向下的位移，在吊平板和吊杆的接触的地方会产生很大的应力 集中，所以吊平板上在有中心吊杆和中间吊杆的一个圆周面内应力比其它地方大，从图 中可以看出在吊平板的三个出气孔地方应力比其他地方都大，罐的最大等效应力就在这 个地方。外吊杆由于和罐壁比较近，吊平板是焊接在罐上的，板受两处的支撑，在中间部 分应力就很小。 根据a n s y s 计算得出罐顶结构的最大，最小应力云图如图4 6 和图4 7 所示，人孔 处的变形图如图4 8 所示。在图4 9 沿黑线在储罐上定义一条路径，路径的零点定为靠 近罐顶的位置，应力与路径的关系如图4 1 0 所示。过在距罐底6 4 0 0 m m 的圆周上的节点 定义路径2 。路径1 和路径2 的应力和路径的关系图分别如图4 1 0 ，图4 1 1 所示。 图4 6 罐顶最大应力云图 f i g4 6t h et o po ft a n km a xs t l - e ssc l o u dc h a r t 图4 7 罐顶最小应力云图 f i g4 7t h et o po ft a n km i ns t r e ssc l o u dc h a r t 1 9 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 图4 8 人孔处的变形图 f i g4 8t h ed is t o r t i o nc h a r to fm a n h 0 1 e 图4 9r 4 4 圣- 位置图 f i g4 9t h er o u t es i t em a p 当罐在受重力作用下时罐体单元的位移是向下的，由于加的边界条件是一条边上有 全约束，当罐上的单元有环向位移时，就会偏离约束的方向，所以单元总体全是偏向一 个方向的。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 s x ，s y ，s z ：径向，环向，轴向应力；s e q v ：等效应力值 图4 1 0 应力和路径1 距离的关系图 f i g4 1 0t h es t r e s sa n dr o u t e1 s td is t a n c er e l a t i o nc h a r t 仅在重力作用下，罐壁上径向应力、环向应力非常小，等效应力和轴向应力比较接 近。因为从罐壁的第十二圈到第七圈厚度相等，轴向应力大致是线性变化的，从第六圈 到第一圈壁厚是不均匀的变化的，但是物体内应力是连续的，所以应力沿路径是先线形， 后曲折变化的，如图4 1 0 所示。 图4 1 1 应力舜口路径2 的关系图 f i g4 1 1t h es t r e ssa n dr o u t e2 n dr e l a t i o l lc h a r t 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 4 2 2 液氨储罐腐蚀前受重力和工作压力作用下应力分析 液氨的密度是0 6 1 7 x1 0 3k g m 3 ，根据液体压强公式 p = p g h 计算得出罐壁受压强的梯度： p = p 劝= o 6 1 7 x 1 0 x 9 8 1 x l = 6 0 5 2 7 7 x 1 0 m p a m m 罐的底部承受的压强为： p = p g h = o 6 1 7 x 9 8 1 x 2 0 8 3 8 x l o “= 0 1 2 4 m p a 旌加边界条件和载荷，求解得到液氨储罐的等效应力云图如图4 1 2 所示。 图4 1 2 液氨储罐的等效应力云图 ( 4 1 ) 罐壁的厚度在轴向上是不均匀的，把等效应力分为几个环向的区域，从上向下逐渐 变大，最大应力出现在人孔处为2 2 3 0 9 8 m p a 。 把人孔附近区域的单元单独选择，根据计算结果得到人孔处的等效应力如图4 1 3 、 环向应力如图4 1 4 和轴向应力如图4 1 5 所示。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 图4 13 人孔处的等效应力云图 f i g4 1 3 t h em a n h o l ee q u i v a l e n ts t r e s sc l o u dc h a r t 图4 1 4 人孔处的z 方向( 轴向) 应力云图 f i g4 1 4 t h em a n h o l ed ir e c t i o nz ( a x i s ) s t r e s sc l o u dc h a r t 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 图4 1 5 人孔处的y 方向( 环向) 的应力云图 f i g4 1 5 t h em a n h o l ed i r e c t i o ny ( c i r c u m f e r e n t i a l ) s t r e ssc l o u dc h a r t 图4 1 6 罐壁的等效应力云图 f i g4 1 6t h es h e l lo ft a n ke q u i v a l e n ts t r e s sc l o u dc h a r t 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 人孔的应力状态是轴向应力在轴向受拉，环向受压，在孔的上端受到压力最大；环 向应力也是轴向受压，环向受拉，他们的等效应力在轴向有最大值，在环向有最小值。 在罐壁的第四、六圈、八圈上分别选择轴向位置相同的三节点，列出主应力，应力 强度和等效应力如表4 1 。 表4 1 同一高度上部分节点的各项应力值 t a b 4 1t h ei d e n t i c a la l t i t u d ep a r tp i t c hp o i n te a c hs t r e s sv a l u e s ：1 ，2 ，3 主应力； s ：i n t 应力强度；s ：e q t 等效m is e s 应力 位置第四圈第六圈 第八圈 蠢 1 5 5 1 81 6 8 8 81 8 0 0 61 6 0 8 0 1 7 1 1 21 8 5 1 21 5 1 3 31 7 2 5 6 1 8 3 8 3 s 19 4 9 6 39 4 9 5 3 9 4 9 5 19 0 2 0 09 0 1 7 89 0 1 9 l6 8 4 3 26 8 4 9 16 8 4 5 6 s 2 0 2 7 5 50 0 2 7 50 0 2 7 50 0 2 6 50 0 2 6 50 0 2 6 6 0 0 1 9 80 0 1 9 9 0 0 1 9 8 8 3一1 5 0 2- 1 4 5 61 3 8 8 1 4 8 5- 1 5 6 91 2 9 41 4 7 6一1 3 1 9- 1 5 6 7 s i n t9 6 4 6 5 9 6 4 0 99 6 3 3 9 9 1 6 8 59 1 7 4 79 1 4 8 6 6 9 9 0 86 9 8 1 07 0 0 2 3 s e q v9 5 7 0 9 9 5 6 7 69 5 6 3 9 9 0 9 4 0 9 0 9 6 09 0 8 3 2 6 9 1 7 26 9 1 5 06 9 2 4 3 图4 17 吊平板上的等效应力云图 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 由上图和表结合可以看出，在不同的轴向位置应力是不同的，在同一轴向位置其主 应力、 应力强度、等效应力是相近的。 罐壁由于受到内压，在径向上有变形，吊平板焊接在罐壁上同时四周受到径向的压 力，外吊杆和罐壁距离很小，吊平板在罐壁和外吊杆之间的部分挠度很小，应力也很小， 但是由于板比较大，在中间吊杆和内吊杆之间距离比较大，在距中心近的地方受影响小， 最大应力还在仅受重力时应力最大的地方，应力值减小。 4 3 液氨储罐腐蚀后( 1 9 9 8 年) 的应力分析 液氨储罐腐蚀后分为在重力条件和重力和工作压力两种情况下的受力分析。1 9 9 8 年液氨储罐罐壁的各部分参数如下图4 1 8 和表4 2 所示。 上 2 6 善5 p0 e 02 i 铲；3 i 铡 坩1 4 扩y 。l l 乙掌 ?i铲i；i j掌 图4 1 8 测区在罐壁上的分布图 f i g4 1 8m e a s u r et h ea r e ao ns h e l lo f t a n kd is t o t t i o nm a p 根据测区的位置和测得的数据来改变罐的壁厚。罐顶因为腐蚀速率大致相同，根据 所测得的数据可看出罐顶壁厚相差不大，故把罐顶的