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技术探讨 TECHNICAL EXPLORATION54 CHINA INSTRUMENTATION2011年 第8期 特大口径流量标定装置中的稳压罐结构的改进分析The Manifolds Improvement & Analysis of the Large Size Flow Calibration Device 范贤勇（上海ABB工程有限公司， 上海 201319）摘 要：结合实际条件对5m稳压罐体进行设计 （直径为5m） ， 并采用了中间加拉筋设计来提高整个罐体的强度， 优化两侧盲板的设计结构， 通过采用有限元的分析方法来进行强度的分析校核， 最终达到工程要求和降低工程造价的目的。关键词：稳压罐 盲板 流量装置 有限元分析ANSYSAbstract：This paper combined practical conditions to do the design work of the 5m manifold (diameter is 5m)， and increase the strength of the manifold body by inner rib added, optimize the blind plates design, analyze and verify the strength by FEM, archive finally to engineering requirement and reduce the engineering cost.Key words：Manifold Blind plate Flow calibration device FEM ANSYS1 引言上海ABB工程有限公司仪器仪表部， 主要从事电磁流量计、 涡街流量计、 压力传感器等的研发与生产。 公司目前有4套流量标定装置， 其中大流量标定装置能够标定从DN700到DN2400范围内不同口径不同压力等级的电磁流量计。 由于对电磁流量计的口径和精度等级等的要求比较高， 该装置中采用了变频器+稳压罐稳压的方法来稳定系统的流场。本文中将对稳压罐的特殊结构设计进行强度的分析， 结合有限元分析的方法来进行研究。2 稳压罐的结构分析2.1 理论计算根据GB150-1998计算得到相应的管道壁厚。稳压罐的直管段部分采用18mm厚度的Q345C冷轧碳钢板， 根据相应的的标准进行设计计算。在0.4MPa的设计压力条件下， 考虑0.05MPa的水静压， 稳压罐的直管段应力：式中： 考虑1mm的腐蚀余量和0.3mm的钢板负偏差， 直管段有效厚度： 16.7mm， t设计温度条件下材料的需用应力， 170MPa。参照GB150-1998对5m的盲板厚度进行计算：（1）TECHNICAL EXPLORATION 技术探讨55中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2011年 第8期 厚度计算公式如下： 式中：p为计算厚度， mm；Dc为计算直径， mm， 取5000mm；K为结构特征系数， 取0.44；Pc为计算压力： Mpa， 取0.45MPa；t为设计温度条件下材料的需用应力，157MPa；为焊接接头系数， 取0.85。将所有参数带入计算公式， 计算结果为：p=192.59mm从以上计算结果中不难看出， 稳压罐的直管段膜应力较低， 整体强度余量较大。 而按计算值的盲板原材料很难在市场上进行采购并进行加工制作，结合当时的市场情况， 罐体两侧盲板的总造价将达超过51万元人民币。 并且两侧盲板的总重量达到了近24t。 由于计算壁厚值很大， 综合考虑制造成本、安全性等多种因素， 必须对该盲板进行优化设计。在不影响强度的前提条件下， 采用合理的方法来对其壁厚进行减薄处理。在常规的工程实践中， 通常是采用了在板上加加强筋的办法来提高其强度， 同时在两侧盲板间设置拉筋， 对该稳压罐体的侧盲板设计， 也将采用该简单可行的办法， 但是如果是在增加加强筋板后直接进行理论计算， 这将带来比较大的工作量并很难得到理想结果。 所以在这里采用有限元分析的方法并结合ANSYS软件的应用， 来对其两侧盲板的强度进行分析， 从而得到最优的结构设计方案。2.2 稳压罐体的有限元分析根据实际工程经验， 盲板厚度取18mm， 加筋规格为30400mm， 拉筋横截面积为48 000mm2， 盲板和加强筋及拉筋材料为Q345C。 加筋采用横竖正交各十一道， 自直径往外的距离为400、 800、 1200、1600、 2000mm。 设计压力为4kg， 即0.4MPa， 考虑0.05MPa的水静压， 计算压力取0.45MPa。 在模型制作过程中， 此处选取稳压罐的一个侧盲板来进行分析， 并采用有罐体中间加拉筋进行设计（即采用拉筋的方式来连接两侧板） 。 采用ANSYS作弹塑性分析， 由结构和载荷的对称性， 取其四分之一作为分析模型， 计算模型如图1所示， 该模型计算单位N, mm， 对整个模型采用solid95单元对其进行网格划分。AREASTYPE NUMPRES-NORMMAY 24 201111:20:02SYS.45图1 力学模型按照所设定的压力要求， 对其进行加载计算，按照所设定的初始条件， 其计算变形如图2所示， 有拉筋最大变形1.617mm。 最大变形量出现在侧板的中心位置。NODAL SOLUTIONTIME=1DMX=1.618MAY 24 201111:22:54SYSSEPC=17.797SMX=1.617.179656.359313.538969MX.718626.8982821.0781.2581.4371.6170RSYS=0TOPUYSUB=1图2 直径5m盲板加劲板计算变形 （Max=1.617mm） 在对变形量计算的同时， 系统输出相应的应力计算结果， 根据计算条件所得到的各构件Von mises（2）技术探讨 TECHNICAL EXPLORATION56 CHINA INSTRUMENTATION2011年 第8期 应力如图3所示。 NODAL SOLUTIONSUB=1TIME=1DMX=1.618SMN=1.329SMX=213.542MAY 24 201111:24:39SYSSMXB=347.8231.32924.90848.48872.06795.646119.225142.804189.963166.384213.542SEQV (AVG)TOP图3 直径5m管端封头计算应力 (Max=347.823MPa)对所增加筋板的应力计算结果如图4所示。NODAL SOLUTIONSUB=1TIME=1SEQV (AVG)SMX=190.24SMXB=270.1721.32922.31943.30964.385.29106.28127.27148.26169.25190.24MAY 24 201111:33:31SYSDMX=1.523SMN=1.329TOP图4 直径5m管端封头加劲板计算应力(Max=190.24MPa)稳压罐侧板上的应力情况如图5所示。NODAL SOLUTIONTIME=1TOPSEQV (AVG)SMN=2.373SMX=60.975SMXB=76.4242.3738.88515.39621.90728.41934.9341.44147.95254.46460.975DMX=1.618MAY 24 201111:36:18SYSSUB=1图5 直径5m管端封头盲板计算应力 (Max=60.975MPa)由于在建立模型的过程中， 根据实际的设计条件， 筋板与筒体的内壁通过焊接进行连接， 所以在这里也必须对其进行应力分析， 以确保所有焊接位置的稳定和可靠。 根据所设定的初始条件计算所得到的结果如图6所示。NODAL SOLUTIONSUB=1TIME=1SEQV (AVG)DMX=.917441MAY 24 201111:38:51SYSSMN=4.138SMX=187.294SMXB=342.2984.13824.48844.83965.1985.54105.891126.242146.592166.943187.294TOP图6 5m管端管壁计算应力 (Max=187.294MPa)在对中间增加拉筋的特殊结构进行分析以后，本文还采用了类似的方法对无中间拉筋的结构进行分析 （即保留筋板， 去掉两侧板之间的拉筋） 。 根据ANSYS软件所得到的分析结果如表1所示。表1 ANSYS分析结果加拉筋与不加拉筋工况最大变形（mm）计算应力 （mm）筋板应力 （MPa）侧板应力 （MPa）筒壁应力 （MPa）有拉筋1.67347.823190.2460.975187.294无拉筋6.937344.622357.219120.471344.622由以上计算结果， 可以得到以下的结论：18 m m 和30 m m 的Q3 45C钢板 屈服应力32 5 M P a，取1. 5的安 全系数，可 取许用应力217M Pa。对于有拉筋结构，加强筋最大应力190.24MPa， 盲板最大应力60.975MPa， 筒体最大应力187.294MPa， 同时还计算出拉筋轴向最大应力200.75MPa。 稳压罐体主要构件的应力均小于许用应力， 强度可满足要求。 但在没有拉筋的工况下， 变形量、 筋板应力及筒壁应力较大， 不能适用。补强后加的盲板、 加筋板和拉筋应力满足设计要求， 变形也在合理的范围以内， 但是加筋板与管TECHNICAL EXPLORATION 技术探讨57中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2011年 第8期 壁连接处应力有一定集中， 这需要在加筋板和筒壁连接处采取减少集中应力的构造措施。 所以就在侧板的设计过程中， 采用加筋规格为30400mm， 盲板材料为Q345C， 加筋材料为Q345C。 加筋采用横竖正交各十一道， 自直径往外的距离为400、 800、1200、 1600、 2000mm。 这样就能达到所要求的强度要求； 并且在采用了该方法进行施工后， 两侧板的总造价低于14万元人民币， 在该项的改进措施中， 本设计就为公司节约了近36万元。3 试验3.1 试验方案在设计施工结束后， 需要对稳压罐进行压力试验， 以验证该稳压罐的安全性和可靠性。 试验过程中， 先通过水泵将稳压罐内注满水后， 关闭上下游的阀门， 然后通过加压泵对罐体内进行加压。依据设计条件， 按照如下试验步骤进行：试验压力： 5 bar （0.5MPa） 。试验步骤：（1）采用水泵对系统注水， 在系统注水完成后， 关闭所有相应的管道上的阀门并排空其他管道中的水。（2） 检查是否存在泄漏， 包括阀门。（3） 压力试验机从液位计入口处给系统加压，加压步骤按照以下要求进行：1） 2.5 bar上升到3 bar， 保压5min；2） 3 bar上升到3.5 bar， 保压5min；3） 3.5 bar上升到4 bar， 保压5min；4） 4 bar上升到4.5 bar， 保压10min；5） 4.5 bar上升到5 bar， 保压10min。3.2 试验结果系统按照拟定的试验步骤进行加压及保压试验， 整个压力试验过程中未出现装置泄漏现象， 压力试验机也未出现相应的压力下降； 并在压力试验结束后， 对该系统再次探伤， 探伤结果表明， 无内部缺陷生成。 这充分表明稳压罐系统压力试验成功，稳压罐可正式投入使用。4 结束语本文中完成了对5m稳压罐的设计计算， 并通过特殊的中间加筋的设计方式来增加罐体结构的强度， 并在设计工作中采用了有限元分析的方法， 对罐体的侧板及对拟定的加筋方式进行分析， 计算相应的应力和变形量。 确保了整个稳压罐完全符合系统设计要求， 并通过相应的压力试验， 达到了相应的工程要求并节约了大量的投资成本。同时， 在罐体的设计过程中采用的中间加筋的特殊设计方式， 对整个结构强度起到了良好的改善作用。 对今后的大口径管道设计及罐体设计起着良好的借鉴作用。参考文献1 侯静， 张亚新.ANSYS在化工设备结构优化设计中的应用J.化工进展,2006,Z1:272275.2 J.A.Shercliff. The Theory of Electromagnetic FlowmeasurementJ.Cambridge University Press， 2001,3:1921.3 Van Laak. F.A.L.Application Limts of Electromagnetic flowmeters： What Do We Re