用PVELITE做間接空冷埋地水箱的應(yīng)力分析

杜守亮

摘 要：與普通水箱相比。埋地水箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜受力因素多，很難手工精確計(jì)算，在解決埋地水箱外壓計(jì)算和建模難題后。采用PVELITE軟件進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，能夠準(zhǔn)確計(jì)算出水箱的強(qiáng)度，為埋地水箱合理化設(shè)計(jì)提供保障。

關(guān)鍵詞：間接空冷；地下水箱；應(yīng)力分析；PVELITE

中圖分類號：TG172.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）09-0051-02

埋地水箱是間接空冷系統(tǒng)必備的大型容器，埋在凍土層以下土壤里，受到土壤的作用力，因此地下水箱的設(shè)計(jì)不僅要考慮內(nèi)壓、還要考慮土壤施加的外壓。PVELITE軟件基于容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采用Zick分析方法，具有圖形數(shù)字界面、操作簡單易行的特點(diǎn)，能夠?qū)θ萜鞯耐鈮簹んw壁厚和加強(qiáng)圈進(jìn)行計(jì)算，能夠?qū)ν搀w、封頭、加強(qiáng)圈、管口、法蘭提供詳細(xì)分析，輸出完整的應(yīng)力分析報(bào)告。

1 確定埋地水箱外壓

應(yīng)用PVELITE軟件計(jì)算分析地下水箱應(yīng)力，首先要確定水箱的外壓。如果把廣闊的連續(xù)的土壤看成一種密度均勻的物質(zhì)，那么根據(jù)彈性理論，在連續(xù)均勻的物體內(nèi)，任一點(diǎn)的垂直面和水平面上只有垂直應(yīng)力pv（這個(gè)應(yīng)力是在重力作用下產(chǎn)生的），沒有切應(yīng)力。此時(shí)的應(yīng)力大小等于土壤密度和土壤深度的乘積（pv=р*H）。當(dāng)水箱埋入土壤中時(shí)，水箱在土壤重力作用下會產(chǎn)生側(cè)向力，在豎直面內(nèi)沿水平方向分布，屬于衍生力，記作ph，參見文獻(xiàn)[1]。ph=K*pv，K代表土壤系數(shù)，不同土壤取值不一樣，碎石土系數(shù)取0.18-0.25，沙土系數(shù)取0.25-0.33，黏土系數(shù)取0.33-0.42。

水箱半徑為R，以圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，水箱表面任意某點(diǎn)A的外壓記作p，p方向指向原點(diǎn)。對A點(diǎn)做受力分析，取過水箱表面A點(diǎn)附近任意一段微量長度l，則長度l范圍內(nèi)力Fl=p*l，因?yàn)镕l是由pv和ph共同作用產(chǎn)生的，所以把pv和ph矢量化求和，得到pv*sinθ*l+ph*cosθ*l，即：p=pv*sinθ+ph*cosθ。

2 建模分析前的準(zhǔn)備工作

（1）該項(xiàng)目埋地水箱設(shè)計(jì)條件：以地面做零米標(biāo)高，水箱被埋在地面以下負(fù)3.5m，凍土層深度從地面零米到地下負(fù)1.2m區(qū)間。水箱外徑3.54m，壁厚20mm，長度9m，筒體本身開有人孔、儀表孔、普通泄水口、緊急泄水口、塔外補(bǔ)水管接口和排氣管，筒體兩側(cè)為橢圓形封頭，如圖1所示。水質(zhì)為除鹽水，腐蝕余量按照2mm考慮。設(shè)計(jì)壓力為0.6Mpa，設(shè)計(jì)溫度100℃。間接冷卻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，埋地水箱存水量為筒體和封頭總?cè)莘e的10%，故障或停機(jī)時(shí)，水箱存水量為筒體和封頭總?cè)莘e的90%，水箱壓力試驗(yàn)含水量最高到人孔頂端。（2）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：埋地水箱的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB/T150-2011《壓力容器》和JB4732-1995《鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)》。（3）埋地水箱應(yīng)力計(jì)算分析采用軟件PVELITE：PVELI-TE是容器、換熱器等設(shè)備進(jìn)行應(yīng)力分析的主流軟件，能夠?qū)θ萜鳌Q熱器等設(shè)備進(jìn)行內(nèi)、外壓計(jì)算，特別適合做埋地水箱的外壓計(jì)算，其操作比ANSYS等有限元分析軟件簡單，結(jié)果可靠。

3 建立埋地水箱模型

在設(shè)計(jì)參數(shù)表中輸入的參數(shù)有設(shè)計(jì)內(nèi)壓、設(shè)計(jì)外壓、設(shè)計(jì)內(nèi)壓對應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)外壓對應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度、基礎(chǔ)線的定位、壓力試驗(yàn)類型和試驗(yàn)位置、容器外表面到法蘭密封面距離、容器類型、使用場合、射線檢測等級等。

設(shè)計(jì)內(nèi)壓輸入0.6Mpa、設(shè)計(jì)外壓（由上述公式可以算出最大壓力出現(xiàn)在距離筒體中心1/3R處，數(shù)值為0.1634Mpa，此值作為筒體設(shè)計(jì)外壓）。設(shè)計(jì)內(nèi)壓對應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度100℃，設(shè)計(jì)外壓對應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度10℃?；鶞?zhǔn)線定位在筒體和左封頭交界線上。壓力試驗(yàn)類型為液壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力（取1.3倍的設(shè)計(jì)壓力，0.78Mpa），要考慮人孔、排氣管的液柱靜壓力，試驗(yàn)位置選臥式。在容器外表面到法蘭密封面距離選項(xiàng)中，儀表孔到水箱外表面距離是300mm，人孔到水箱外表面距離是2200mm。容器類型是指水箱的制造形式，選焊接形式，使用場合選用一般場合。射線檢測等級根據(jù)水箱焊縫的詳細(xì)類型選擇，本項(xiàng)目水箱射線檢測最低等級要求為局部射線檢測。

PVELITE軟件對主體結(jié)構(gòu)建模有次序要求（涉及基準(zhǔn)線定位），首先從左封頭開始，依次輸入筒體、右封頭。對于附件沒有次序要求，筒體、封頭上的人孔、儀表孔和普通泄水口、緊急泄水口、塔外補(bǔ)水管接口、排氣管等只要按照尺寸輸入即可。其中人孔、儀表孔為法蘭接頭，其余孔、口、管的末端為鋼管接頭。

管口設(shè)計(jì)壓力有三個(gè)選項(xiàng)：（1）最大允許工作壓力與液柱靜壓頭之和，需要先計(jì)算零部件的最大允許工作壓力，較為繁瑣，不建議選用；（2）設(shè)計(jì)壓力與液柱靜壓頭之和，此項(xiàng)不需要考慮最大允許工作壓力，較為簡潔，本項(xiàng)目選擇此項(xiàng)；（3）整體最大允許工作壓力，也比較繁瑣，一般不選擇。軟件對管口有自動核算是否增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)圈功能，因此補(bǔ)強(qiáng)圈可以暫不輸入。水箱的鋼管與筒體（封頭）的焊接類型在在Nozzle模塊中可以找到，為全焊透類型。

法蘭類型選用整體對焊類型，模型中不僅要輸入法蘭形狀尺寸，還要輸入墊片、緊固件、法蘭蓋的參數(shù)。

建模過程中筒體和封頭材料為Q235B，選用美標(biāo)相匹配的低碳鋼，泊松比、彈性模量、許用應(yīng)力等輸入Q235B的特性參數(shù)，法蘭、鋼管的材料為20號鋼，輸入方法同Q235B。

在建模過程中，界面底部會有提示，如果輸入不合理，則會有紅色提示出現(xiàn)。建模要求嚴(yán)格按照圖紙輸入零部件尺寸，在檢查無誤后進(jìn)入到計(jì)算階段。

4 PVELITE計(jì)算及結(jié)果分析

（1）工況選擇。PVELITE軟件在計(jì)算的時(shí)候要選取計(jì)算工況，計(jì)算工況有多種，我們只選擇符合本項(xiàng)目計(jì)算要求的工況組合：空重；內(nèi)壓+操作重量；內(nèi)壓+操作重量+地震；試驗(yàn)壓力+實(shí)驗(yàn)重量；外壓+操作重量；外壓+操作重量+地震。（2）計(jì)算結(jié)果。PVELITE軟件根據(jù)工況組合計(jì)算出水箱的各個(gè)工況應(yīng)力：水箱自重應(yīng)力、內(nèi)壓應(yīng)力、外壓應(yīng)力、試驗(yàn)壓力引起的應(yīng)力、地震工況下水平力引起的軸向應(yīng)力、地震工況下水平力引起的彎曲應(yīng)力等等。PVELITE軟件不僅能夠算出水箱各個(gè)組件的上述應(yīng)力，還能算出管口受力是否超標(biāo)，里面含有WRC107和297公式。本項(xiàng)目水箱計(jì)算最大應(yīng)力出現(xiàn)在地震工況下的水平力引起的彎曲應(yīng)力，數(shù)值為263.1Mpa，位置在緊急泄水管的根部位置，超過許用應(yīng)力（170Mpa），不合格，調(diào)整補(bǔ)強(qiáng)圈和管子壁厚，該彎曲應(yīng)力下降到157.0Mpa，應(yīng)力合格，水箱整體計(jì)算應(yīng)力全部合格，強(qiáng)度滿足要求。

5 結(jié)語

埋地水箱一旦埋入地下，不易取出，因此埋地水箱的設(shè)計(jì)要確保準(zhǔn)確、安全、可靠，且不能大幅度浪費(fèi)材料。采用PVELITE軟件計(jì)算水箱強(qiáng)度，能準(zhǔn)確驗(yàn)證水箱設(shè)計(jì)的安全性、合理性，為優(yōu)化水箱設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]斐召華.埋地臥式容器的設(shè)計(jì)計(jì)算[J].石油化工設(shè)備，2006，35（6）：33-35.

[2]GB/T150-2011.壓力容器[S].

[3]JB4732-1995.鋼制壓力容器設(shè)計(jì)分析[S].