兩種支撐結(jié)構(gòu)低溫儲(chǔ)罐的分析與對(duì)比

張為，姜濤，任立奎，梁嵬，馬國(guó)慶

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.吉林航空維修有限責(zé)任公司，吉林 132102）

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，液氬、液氮、液氧及液態(tài)二氧化碳廣泛應(yīng)用于金屬冶煉、醫(yī)療、軍事、制糖工業(yè)、制堿工業(yè)、食品工業(yè)等行業(yè)中。經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，低溫液化氣體的需求量不斷增加，對(duì)于儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)蜏匾夯瘹怏w的低溫儲(chǔ)罐的需求日益增長(zhǎng)的同時(shí)，對(duì)儲(chǔ)罐的要求也更加嚴(yán)格，如結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，材料的強(qiáng)度和剛度、低溫性能、結(jié)構(gòu)焊接和維修以及不同結(jié)構(gòu)應(yīng)用場(chǎng)合等方面均有了更高的要求。有些要求的研究技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，如低溫儲(chǔ)罐的焊接技術(shù)，在文獻(xiàn)［1］中就詳細(xì)介紹了儲(chǔ)罐用鋼的組織特性及焊接過(guò)程中材料組織狀態(tài)的轉(zhuǎn)變對(duì)低溫沖擊的影響；而文獻(xiàn)［2］又詳細(xì)分析了單個(gè)低溫儲(chǔ)罐出現(xiàn)事故的原因并給出合理的維修方法；除此之外，前人還分析了地震加速度變化［3］、介質(zhì)熱響應(yīng)［4］及介質(zhì)腐蝕性［5］對(duì)整個(gè)低溫儲(chǔ)罐的影響。綜上所述，其中對(duì)于不同結(jié)構(gòu)應(yīng)用場(chǎng)合的問(wèn)題還有待研究，因現(xiàn)在尚無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范來(lái)明確規(guī)定各種結(jié)構(gòu)更適用于何種環(huán)境或如何選擇應(yīng)用場(chǎng)合［6］。本文就是針對(duì)此問(wèn)題，對(duì)兩種不同支撐形式的低溫儲(chǔ)罐進(jìn)行對(duì)比分析，給出比較合理的應(yīng)用場(chǎng)合建議［7］。

1 兩種結(jié)構(gòu)介紹

在本文中，所介紹的兩種結(jié)構(gòu)型號(hào)分別為VT-130和VTW-80，表1中詳細(xì)介紹了這兩種結(jié)構(gòu)。

從表1中可以明確的看出兩者之間的差異，尤其是在高度差異不大時(shí)兩者之間的重量相差較大，所以從節(jié)省材料或降低成本的角度來(lái)看［8］，更傾向于選擇VTW-80這種結(jié)構(gòu)，但這并不代表VTW-80所有條件都優(yōu)于VT-130。

表1 儲(chǔ)罐VT-130和VTW-80結(jié)構(gòu)

1.1 有限元幾何模型及網(wǎng)格

本文中兩種立式低溫液化氣體儲(chǔ)罐整體結(jié)構(gòu)都屬于薄壁結(jié)構(gòu)，均應(yīng)用SHELL181單元進(jìn)行建模和分析［9］。圖1為兩種結(jié)構(gòu)有限元模型。

圖1 有限元模型

1.2 載荷及邊界條件

1.2.1 載荷

兩種結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)載荷如表2所示。

表2 VT-130和VTW-80設(shè)計(jì)載荷

上表中兩種結(jié)構(gòu)等效密度計(jì)算方法如下：

VT-130等效密度：內(nèi)罐空重22462kg，最大充裝介質(zhì)重163000kg，內(nèi)罐密度即內(nèi)罐總重等效密度為

VTW-80等效密度：內(nèi)罐空重10600kg，最大充裝介質(zhì)重111440kg，內(nèi)罐密度，即內(nèi)罐總重等效密度為

表3 VT-130不同高度的設(shè)計(jì)風(fēng)壓

表4 VTW-80不同高度的設(shè)計(jì)風(fēng)壓

VT-130及VTW-80的載荷工況相同，其中包括偶然工況、熱載荷工況、運(yùn)輸工況及吊裝工況，總共11種工況。由于兩種結(jié)構(gòu)的載荷工況較多，而且每種形式都很相似，所以本分析中將在11種工況中每類選取一種典型工況進(jìn)行對(duì)比分析，選取的工況如下分別為工況1、工況2、工況3及工況4。

工況1：

偶然工況：設(shè)計(jì)壓力+靜載+0.7倍地震載荷

工況2：

熱載荷工況：熱載荷+設(shè)計(jì)壓力+靜載

工況3：

運(yùn)輸工況：縱向方向2g加速度+重力加速度1g

工況4：

吊裝工況：垂直吊裝（沿著與約束方向相反加1g加速度）

1.2.2 邊界條件

兩種結(jié)構(gòu)工況1、工況2分別約束在外裙座和支腿底端，工況3約束在外筒體鞍座上，工況4約束在外封頭上端吊耳上。

從保守角度考慮，在作風(fēng)力載荷和地震載荷分析時(shí)，將載荷作用方向確定為指向單支腿方向［10］。

1.2.3 結(jié)果對(duì)比

工況1應(yīng)力分布結(jié)果如圖2至圖5所示。

圖2 儲(chǔ)罐整體應(yīng)力云圖

圖3 上端徑向拉桿應(yīng)力云圖

圖4 內(nèi)裙座和下端徑向拉桿應(yīng)力云圖

圖5 裙座和支腿應(yīng)力云圖

以上4組圖中可以看出，當(dāng)結(jié)構(gòu)受橫向地震載荷時(shí)，外裙座上的最大應(yīng)力值僅為支腿上最大應(yīng)力值的75%，而上端徑向拉桿不僅在個(gè)數(shù)量上相差一半，最大應(yīng)力值也相差接近一半，從相差數(shù)據(jù)上可以得出，裙座支撐式要比支腿支撐式承受橫向載荷的能力更好，因而認(rèn)為在多遇地震區(qū)域中，更偏向于應(yīng)用裙座支撐式結(jié)構(gòu)；而在罕遇地震區(qū)域中，一般會(huì)應(yīng)用比較輕便的支腿支撐式結(jié)構(gòu)。

工況2應(yīng)力分布結(jié)果如圖6至圖8所示。

圖6 儲(chǔ)罐整體應(yīng)力云圖

圖7 上端徑向拉桿應(yīng)力云圖

圖8 內(nèi)裙座和下端徑向拉桿應(yīng)力云圖

以上3組圖中可以得出，結(jié)構(gòu)在受熱載荷作用時(shí)，裙座支撐式結(jié)構(gòu)主要承力結(jié)構(gòu)為內(nèi)裙座，而且兩者的上端徑向拉桿應(yīng)力相差較大，相差接近40%，從而證明裙座支撐式結(jié)構(gòu)在承受熱載荷能力上也比支腿支撐式要強(qiáng)很多，在文獻(xiàn)［11］中可知，儲(chǔ)罐加料過(guò)程中，內(nèi)罐溫度降低，由于內(nèi)部連接部件的限制，內(nèi)罐不能自由伸縮而產(chǎn)生熱應(yīng)力，這說(shuō)明這兩種低溫儲(chǔ)罐中產(chǎn)生熱應(yīng)力是不可避免的，所以應(yīng)從承載熱應(yīng)力能力上考慮的話首選裙座支撐式結(jié)構(gòu)。

工況3應(yīng)力分布結(jié)果如圖9至圖11所示。

圖9 儲(chǔ)罐整體應(yīng)力云圖

圖10 上端徑向拉桿應(yīng)力云圖

圖11 上端徑向拉桿應(yīng)力云圖

以上結(jié)果顯示，立式低溫儲(chǔ)罐在運(yùn)輸過(guò)程中，裙座支撐式結(jié)構(gòu)上端徑向拉桿和內(nèi)裙座上的應(yīng)力強(qiáng)度相差71%，這會(huì)導(dǎo)致內(nèi)罐在運(yùn)輸過(guò)程中晃動(dòng)較大而使上端徑向拉桿折斷，影響低溫儲(chǔ)罐正常操作。與裙座支撐式結(jié)構(gòu)相比，支腿支撐式結(jié)構(gòu)在運(yùn)輸中上下端拉桿應(yīng)力強(qiáng)度比較相近，并且上下均勻分布，是一種比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形式，所以在運(yùn)輸時(shí)，支腿支撐式立式低溫儲(chǔ)罐優(yōu)于裙座支撐式儲(chǔ)罐。

工況4應(yīng)力分布結(jié)果如圖12所示。

圖12 儲(chǔ)罐整體應(yīng)力云圖

在立式低溫儲(chǔ)罐起吊時(shí)，所加載的載荷只有低溫儲(chǔ)罐的重力加速度，因而云圖中產(chǎn)生的應(yīng)力值完全是由低溫儲(chǔ)罐自身重力引起的，從應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖中可以看出，裙座支撐式儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度大于支腿支撐式儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)，兩者之間的應(yīng)力值相差將近23%，由此可以看出，裙座支撐式結(jié)構(gòu)相較與支腿支撐式結(jié)構(gòu)耗材量大，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看會(huì)優(yōu)先選用支腿支撐式結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)論

針對(duì)如何正確使用立式低溫儲(chǔ)罐并給出合理的應(yīng)用場(chǎng)合建議問(wèn)題，提出了簡(jiǎn)單的選擇方法。該方法通過(guò)對(duì)兩種支撐結(jié)構(gòu)的立式低溫液化氣體儲(chǔ)罐進(jìn)行分析和比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在承受地震載荷和溫度載荷情況下，裙座支撐式結(jié)構(gòu)優(yōu)于支腿支撐式結(jié)構(gòu)；在運(yùn)輸和吊裝過(guò)程中，輕便的支腿支撐式結(jié)構(gòu)更勝于裙座支撐式結(jié)構(gòu)。因此，在多數(shù)承受外力載荷（包括地震載荷、風(fēng)力載荷、溫度載荷及組合載荷）工況下，裙座支撐式結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均優(yōu)于支腿支撐式結(jié)構(gòu)，但裙座支撐式結(jié)構(gòu)本身耗材較多，成本較高，且不便于進(jìn)行運(yùn)輸和吊裝。因而對(duì)于容量大的立式低溫儲(chǔ)罐，選擇裙座支撐式結(jié)構(gòu)較好，而中小型的低溫儲(chǔ)罐選擇支腿支撐式結(jié)構(gòu)較佳，從而得出所提出的選擇方法可用于立式低溫儲(chǔ)罐的工程應(yīng)用。

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