裂紋缺陷對液化氣球罐強度的影響

梁清香，董雙巧，王 赟(太原科技大學應用科學學院，太原 030024)

液化石油氣球罐使用數(shù)年之后，常常會出現(xiàn)大量的裂紋缺陷，對球罐的安全運行帶來嚴重影響[1]。裂紋缺陷分布在內(nèi)表面、外表面、柱腿以及接管等球罐中典型位置，其中內(nèi)表面裂紋占裂紋總數(shù)的60%.而內(nèi)表面裂紋多產(chǎn)生在內(nèi)表面上下極板、赤道上下環(huán)縫、帶與帶之間的焊縫部位。形狀大都是縱向、橫向裂紋，局部有樹枝狀、放射狀、星星狀裂紋。其中，橫向環(huán)縫裂紋居多，占球罐內(nèi)表面裂紋總數(shù)的51%[2].長度在3 mm～20 mm之間，深度在1 mm～10 mm之間。劉文濤、陳冰冰等人對裂紋缺陷的數(shù)量、位置、尺寸等作了統(tǒng)計并探討了裂紋的成因[3]。黃齊飛采用磁粉探傷技術(shù)對1 000 m3液化石油氣球罐進行了無損檢測，結(jié)合進行試驗結(jié)果對球罐橫向裂紋的產(chǎn)生和擴展原因進行了分析[4]。王澤軍和劉宏臣對1 500 m3液化石油氣球罐的整體應力做了研究[5]。

本文應用MSC.marc軟件，分析1 000 m3液化石油氣球罐內(nèi)表面的裂紋缺陷對球罐的強度影響。研究結(jié)果對在役帶裂紋缺陷的液化石油氣球罐的安全使用和評定具有實際意義。

1 1 000 m3液化石油氣球罐幾何參數(shù)

1 000 m3液化石油氣球罐的外形及簡化處理參見文獻[6]。球罐幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1所示。

表1 球罐幾何參數(shù)

簡化后的模型如圖1所示[6]。其中r1=6 186 mm，r2=6 150 mm，r3=250 mm，r4=250 mm.

圖1 球罐尺寸

2 裂紋尺寸對球罐的強度影響

建立帶裂紋球罐的有限元模型，討論在球罐內(nèi)表面裂紋位置及長度改變時等效應力的分布情況。

2.1 橫向裂紋

尺寸：球罐屬于軸對稱，中心對稱模型。分別在球罐與Z軸正向成20°-160°，間隔10°的位置創(chuàng)建橫向裂紋，長度為12 mm，深度為2 mm，寬度為0.1 mm.共建立15個模型，網(wǎng)格劃分見圖2.

幾何模型建立完成后進行加載。加載內(nèi)容包括：1)對赤道處和上下人孔處施加位移約束，其中施加的約束為各面的法向約束。2)內(nèi)壓為0.77 MPa.3)重力。

加載完成后對模型進行計算求解，得到最大等效應力數(shù)值[8]。如圖3所示為裂紋位置與Z軸正向成110°的帶裂紋球罐應力云圖。裂紋位置不同的最大等效應力數(shù)據(jù)見表2所示。

圖2 球罐網(wǎng)格劃分

圖3 帶裂紋球罐等效應力云圖

2.2 縱向裂紋

縱向裂紋的位置與橫向裂紋的位置、大小都相同。共建立15個模型，得到最大等效應力數(shù)值見表2所示。橫向與縱向裂紋最大等效應力對比如圖4所示。

表2 不同位置的最大等效應力

圖4橫向與縱向裂紋最大等效應力對比圖

Fig.4Transverseandlongitudinalcracksmaximumstresscomparisonchart

由圖4中可知：

(1)裂紋離上下人孔越近，最大等效應力值越小，隨著離上下人孔距離增大而增大，當裂紋接近赤道線時，最大等效應力急劇下降，這是由于赤道線附近有支柱(施加了全位移約束)的緣故；

(2)帶橫向裂紋的球罐最大等效應力比帶縱向裂紋的球罐大，即橫向裂紋危險。最大等效應力發(fā)生部位是在球罐與Z軸正向成110°處的橫向裂紋。

2.3 橫向不同長度裂紋

由上面分析可知，位于與Z軸正向成110°處的橫向裂紋，對球罐的安全使用影響最大，在此位置只改變裂紋長度，共建立8個帶裂紋球罐模型，得到最大等效應力數(shù)值見表3，裂紋長度與球罐最大應力曲線的關(guān)系曲線如圖5所示。

表3 不同裂紋長度的最大等效應力

圖5裂紋長度與球罐的最大等效應力關(guān)系曲線

Fig.5Thecracklengthandthemaximumequivalentstressofsphericaltankrelationcurves

2.4 橫向不同深度裂紋

對與Z軸正向成110°處的橫向裂紋，只改變裂紋深度，共建立5個帶裂紋球罐模型，得到最大等效應力數(shù)值見表4，裂紋深度與球罐最大應力曲線的關(guān)系曲線如圖6所示。

表4 不同裂紋深度的最大等效應力

圖6 裂紋深度與球罐的最大等效應力關(guān)系曲線

3 結(jié)論

對帶裂紋球罐的有限元分析結(jié)果表明：

(1)在設計壓力下，橫向裂紋比縱向裂紋對球罐的影響大；

(2)最危險的位置位于距球罐與Z軸正方向成110°處的橫向裂紋；

(3)球罐存在橫向裂紋時，長度越長，等效應力越小；深度越深，等效應力越大。

參考文獻：

[1] 紀宏宸.液化石油氣球罐現(xiàn)場再制造技術(shù)的研究[D].南京：南京工業(yè)大學，2002.

[2] 費東輝.在用球罐的缺陷統(tǒng)計與分析[D].杭州：浙江工業(yè)大學，2011.

[3] 劉文濤，陳冰冰，梁力錦，等.在役球罐裂紋缺陷統(tǒng)計與分析[J].輕工機械，2012，30(5)：89-93.

[4] 黃齊飛.一臺1 000 m3液化石油氣球罐的成因分析及裂紋修復[J].質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究，2010，11(5)：38-41.

[5] 王澤軍，劉宏臣.1 500 m3液化石油氣球罐的強度分析[J].壓力容器，2003，20(6)：33-36.

[6] 董雙巧，梁清香，王赟.液化石油氣球罐裂紋修復補強研究[J].太原科技大學學報，2013，34(5)：390-393.