分析设计法在小型高压球罐设计上的应用.doc

分析设计法在小型高压球罐设计上的应用球形储罐作为压力容器的一种高效、经济的贮存容器，素来有大容量、高危害，制造难度大的特点，为广大工程师们所关注。然而，对于小型高压球罐（50m3）不仅超出常规设计的范畴，其设计与制造难度也加大，在实践中也鲜有应用。本文依据工程实例，详细阐述了对一盛装天然气的小型高压球形储罐（10m3）进行应力分析，并依据 JB4732-95 ，评定设备的安全性。 1 前言 球形储罐，顾名思义，外形呈球状，主要用于存储与运输各种气液或液化气体的一种有效、经济的压力容器，在化工、石油等领域大量应用。在同样壁厚条件下，与其它形状的容器相比，其受力均匀，承载能力高，能极大的节约材料成本。 依据球罐自身的特点，在某天然气输送项目中，有一天然气流计量用贮存容器（10m3），采用球形储罐结构，出于设计条件对设备自重有严格限制，要求设计重量最小。由于此球罐设备容积（50m3）超出GB12337-1998钢制球罐的范畴，并且为更合理地优化设计，故设备采用JB4732-1995钢制压力容器-分析设计标准进行设计。 2 球罐设计参数及载荷 2.1 球罐设计参数 球罐设计规范：JB4732-1995钢制压力容器一分析设计标准，其设计条件和主要参数如表1所示： 2.2 球罐选材 在选材方面，板材选用球壳用的钢板球罐低温用高强度调质钢板07MnNiMoVDR；球罐承压锻件用10Ni3MoVD锻件。上述材料均经安全注册并通过“锅炉压力容器标准化技术委员会“的技术评审。球罐用材的化学成份与材料属性，如下表25所示： 2.3 球罐结构 球罐结构，主要包括球壳板与以下的七个管口，以及设备裙座。裙座上两侧分别设有方形人孔(450450)，供设备安装检修用。为保证设备安全性，球壳开孔采用整体双锥段锻件补强，接管锻件与球壳板的连接采用对接形式，以满足100%射线检测要求。球壳板扣除了材料的腐蚀裕量与成形减薄量，计算厚度取29.5mm。 球罐主要的结构与尺寸，如下述图表所示： 3 有限元模型 为保证球罐受力结构的完整性，本分析从整体角度出发，应用大型有限元通用软件ANSYS软件，采用SOLID95实体单元，建立有限元三维立体全模型。 SOLID95是20节点高阶单元，每个节点有3个平动自由度(X,Y,Z方向)，能够容许一定的不规则形状，且更好的保证计算精度，对偏移形状保持良好的兼容性，适合模拟带曲线边界的模型。 有限元模型如图34所示。其中，单元数量：159108，节点数量：732617。 4 有限元边界条件 4.1 设计载荷及计算工况 本球罐分析主要考虑以下载荷：（1）压力；（2）球罐自重。 对于球罐的整体分析应考虑以下几种载荷组合工况，并对球罐的最危险工况的应力分平进行评定：（1）内压；（2）自重；（3）自重+内压（组合工况）。 注：由于设备安装与运行均在室内，无保温、无梯子平台，并且球罐的体形较小，相对重量较轻，因此忽略风载荷、雪载荷与地震载荷的影响；并且，根据管道条件，球罐管口无机械外载。 4.2 内压 在球壳与接管内壁表面，施加压力载荷(10.0MPa)。同时，为保证设备内压力系的平衡，在管口端部施加内压产生的轴向平衡压力： 其中，pi为设备内压，MPa；Di：管口内径，mm；Do：管口外径，mm。 加载效果如图5所示。 4.3 球罐自重 球罐自重，指球罐的操作质量，包括球壳、接管、裙座、物料及球罐预焊接等其它附件的重量。有限元模型中，球罐自重载荷，经计算当量成材料的等效密度(=m/V)，以惯性载荷的形式在加速度场中转换成单元体积力(G=mg)的方式，加载在整个球壳单元上。 其中，g：重力加速度，取9.81m/s2；m：球罐自重，取8500kg；V：整个球壳单元的总体积。 4.4 位移边界 在球壳裙座下底面，施加竖直轴向与环向约束。 加载效果如图6所示： 5 计算结果 5.1 应力分布 图7图9为各计算工况的分析结果云图： 5.2 强度校核 由经分析可知，“自重+内压”所产生的组合工况，为设备的最危险工况。故球罐的强度校核仅需要对“自重+内压”工况进行评定即可。在球罐各部分焊缝处，采用各种材料中相应设计许用应力强度的最低值，来对设备强度进行评定。 以下根据JB4732-1995的规定，在有限元模型关键区域，选取危险路截面径进行应力线性化分类，然后将各项应力按“等安全裕度”原则进行评定。同时，为简化评定过程，在本分析中，一次加二次应力强度SIV按设计工况考虑。 1)应力路径 2)应力评定 注： （1）路径PATH_01的薄膜应力,视为一次总部薄膜应力SI，按1.0KSm评定； （2）其它路径的薄膜应力,视为一次局部薄膜应力SII，按1.5KSm评定； （3）所有路径的膜+弯应力,视为二次应力SIV，按3.0Sm评定； （4）路径PATH_01的位置：位于球壳板截面处； （5）路径PATH_02PATH_04的位置：管口DN500处； （6）路径PATH_05PATH_07的位置：管口DN100处； （7）路径PATH_08PATH_10的位置：管口DN25(600#)处； （8）路径PATH_11PATH_12的位置：裙座与球壳板连接处。 6 结论 1)经分析后可见，此球罐整体结构应力分布均匀，各项应力水平均控制在设计要求的范围内，满足强度要求； 2)通过内压与自重工况的结果对比可知，球罐的自重所产生的应力水平，远低于其内压所产生的应力水平。因此，在此分析中，自重载荷对本球罐的影响在工程上可忽略不计； 3)本球罐分析，基于JB47