低溫液化氣體儲罐封頭及支座的有限元分析

張光浩 霍平 陳麗文

摘要：文章對于由支撐式支座小型立式圓柱形儲罐的封頭及支座的受力情況，以低溫液化氣體儲罐為例對外罐下封頭及支座進(jìn)行了靜力、地震載荷及風(fēng)載荷分析，結(jié)果表明：支座與封頭交界的外邊角處及邊界上方的應(yīng)力偏大，在設(shè)計時要給予特殊考慮。

關(guān)鍵詞：支撐式支座；儲罐封頭；低溫儲罐；低溫液化氣體

中圖分類號：TE972 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）29-0036-02

中小型立式低溫儲罐多用于存放低溫液化氣體，由內(nèi)罐和外罐構(gòu)成，內(nèi)罐受內(nèi)壓、外罐受外壓，夾層抽真空，填充粉末絕熱，這類儲罐絕熱效果好、損耗少、可帶壓儲存、減少排放損失、操作費用低，因此在各領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，其安全性也越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

本文運用ANSYS有限元分析軟件，對低溫液化氣體儲罐外罐下封頭及支座進(jìn)行了靜力、地震載荷及風(fēng)載荷分析。

1 低溫儲罐的基本結(jié)構(gòu)

某低溫液化氣體儲罐總高20m，支座高1m，外罐外徑3.6m，厚度18m，材料為Q235-B；內(nèi)罐外徑3m，厚度10mm，材料為X5CrNi48-10；支座底板長0.35m，寬0.28m，材料為Q235-B。內(nèi)外筒體間設(shè)有拉筋相連，其中空隙填充珠光砂，用于保溫。

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

內(nèi)罐是通過拉筋同外筒體相連，內(nèi)筒及其內(nèi)部液化氣體的質(zhì)量完全作用在外罐壁上，文章分析的是支座及外罐下封頭的受力狀況，因此建模時將內(nèi)罐及其內(nèi)部液化氣體的質(zhì)量、珠光砂的質(zhì)量均等效到外罐壁上，通過改變外罐壁的密度來實現(xiàn)質(zhì)量等效。

利用ANSYS數(shù)值分析軟件建立有限元模型，儲罐壁、封頭及支座均選用shell63單元，并忽略開孔接管進(jìn)行適當(dāng)簡化，有限元模型如圖1所示。

2.2 自重（滿罐）靜力分析

圖2給出了滿液自重工況下封頭及支座的應(yīng)力強度云圖，封頭的最大應(yīng)力強度在封頭與支座交界處正上方（記為①點），距離封頭邊緣100mm處（不計封頭直邊段長度），最大應(yīng)力強度值為106MPa，支座的最大應(yīng)力強度出現(xiàn)在支座與封頭交界的邊角處（記為②點），最大應(yīng)力強度值為97.7MPa。因此在進(jìn)行地震響應(yīng)分析和風(fēng)載荷分析時著重考慮這兩點的應(yīng)力情況。

2.3 地震載荷下的受力分析

2.4 風(fēng)載荷靜態(tài)分析

對于細(xì)高型的塔器，風(fēng)力計算時，高度10m以下的塔設(shè)備，按一段計算，對于超過10m的塔設(shè)備，以每10m分為一段計算，設(shè)備中第i段所受的水平風(fēng)力為：

Fi=K1K2ifiq0liDei

式中：

K1—體型系數(shù)，對于細(xì)高罐取0.7

K2i—塔設(shè)備中第i計算段的風(fēng)振系數(shù)，對于塔高H≤20m的塔設(shè)備取1.7

q0—塔設(shè)備所在地區(qū)的基本風(fēng)壓，按50年一遇取450N/m2

li—各計算段的計算高度

Dei—第i段迎風(fēng)面的有效直徑，計算中取外罐直徑

該低溫儲罐高為20m，分為兩段計算風(fēng)力，由上式計算得F1=F2=14265N，在有限元分析中，將水平風(fēng)力以等效壓力的形式作用到迎風(fēng)面罐體上，等效壓力為

N/m2，經(jīng)分析，①點的應(yīng)力為118MPa，②點

的應(yīng)力為114MPa，兩者相差不大。

3 結(jié)語

（1）小型立式圓柱形低溫儲罐下封頭及支座的最大應(yīng)力出現(xiàn)在支座與封頭交界的外邊角處以及邊界上方。

（2）地震情況下，罐體會由小范圍晃動發(fā)展為大范圍晃動，①、②兩點的應(yīng)力強度也隨之增大，均達(dá)到屈服極限，且②點的峰值應(yīng)力增大得較多，更易發(fā)生屈服。

（3）風(fēng)載荷情況下，①、②兩點的應(yīng)力與滿罐自重時相比增加不大，均滿足強度要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計（第三版）

[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

作者簡介：張光浩（1983—），男，河北深州人，河北聯(lián)合大學(xué)機械工程學(xué)院助教，碩士，研究方向：壓力容器安全技術(shù)方面的教學(xué)。