臥式壓力容器及鞍座上的應(yīng)力分布研究

馬澤宇，范曉勇，高 勇

（1.蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000）

支座為臥式壓力容器的主要承載元件，在臥式壓力容器中鞍座是較為普遍的一種支座形式，而支座處的筒體截面是一個危險(xiǎn)截面，在外載荷與支座反力作用下，筒體會在一定程度上出現(xiàn)扁塌現(xiàn)象，由此導(dǎo)致筒體受力不均勻。由于鞍座承載著整個筒體，鞍座的承壓能力至關(guān)重要]。因此，必須對臥式壓力容器做應(yīng)力分析，以確保其安全性。文章以鞍座為研究對象，借助有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行模擬，分析鞍座在不同情況下時對筒體的應(yīng)力影響，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的應(yīng)力準(zhǔn)則，以確定壓力容器的承壓能力，預(yù)測臥式壓力容器在未來某一時間的運(yùn)行可靠性。文章是在改變鞍座的位置并在一系列的壓力下，觀察筒體及鞍座上應(yīng)力分布做了深入研究，且對壓力容器及鞍座的主要部分做了應(yīng)力分析比較，并進(jìn)行分析研究。

1 有限元分析模型

以200m3液氨儲罐為研究對象，儲罐結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，有限元模型如圖2所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖1 儲罐結(jié)構(gòu)圖

圖2 A為1000mm有限元模型

2 鞍座在不同位置處筒體等效應(yīng)力分析

分析筒體及鞍座分別在 1.6MPa、1.8MPa、2.0MPa、2.2MPa、2.4MPa、2.6MPa的不同內(nèi)壓作用下的等效應(yīng)力。

圖3 三種情況下等效應(yīng)力隨著內(nèi)壓變化曲線

由圖3可以發(fā)現(xiàn)等效應(yīng)力隨著內(nèi)壓的增大而增大，當(dāng)鞍座位置A＞Ri/2，且A≤0.2L，未設(shè)置加強(qiáng)圈時的等效應(yīng)力大于鞍座位置A≤Ri/2時和鞍座位置A＞Ri/2，且A≤0.2L，設(shè)置加強(qiáng)圈時的等效應(yīng)力。而鞍座位置A≤Ri/2時的等效應(yīng)力與鞍座位置A＞Ri/2，且A≤0.2L，設(shè)置加強(qiáng)圈時的等效應(yīng)力基本一致。所以，鞍座位置A＞Ri/2，且A≤0.2L，未設(shè)置加強(qiáng)圈時較為危險(xiǎn)。

3 鞍座參數(shù)對臥式壓力容器應(yīng)力的影響

分別選取L/R為12、14、16時的固定值時，改變A/L值，查看鞍座的筋板、墊板、腹板、底板、容器的封頭、容器的中間部分、封頭與鞍座間的部分、鞍座的包角處八個部分的應(yīng)力值，并對這八個部分的應(yīng)力值進(jìn)行分析比較。

由圖4（a）可知只有容器的封頭和封頭與鞍座間的部分的應(yīng)力沒有受到A/L值變化的影響，而鞍座的所有部分以及鞍座的包角處和容器的中間部分都在A/L=0.25處有所下降。

由圖4（b）和圖4（c）可以得到為使得壓力容器及鞍座上的應(yīng)力能夠最小，最好取A/L的值接近0.25。

圖4 改變A/L時各部分應(yīng)力值變化圖

4 L/R比值的影響

選取A/L的值為0.25，L/R以2的增量從8變化到20，由圖5可知，筋板最大應(yīng)力在L/R值間于8到16時呈線性增大趨勢，而其他七個部分則基本處于恒定狀態(tài)。底板在L/R大于16時呈下降現(xiàn)象，其他七個部分則呈現(xiàn)不均勻的增大現(xiàn)象。因此，為了保證壓力容器及鞍座處的應(yīng)力處于最小狀態(tài)，則應(yīng)選取L/R的值小于16。

圖5 A/L=0.25時改變L/R的各部分應(yīng)力值變化圖

5 結(jié)語

通過對筒體及鞍座的應(yīng)力有限元分析，可得到：

（1）筒體上的等效應(yīng)力的變化與內(nèi)壓力成線性關(guān)系，隨內(nèi)壓力的增大而增大。

（2）當(dāng)A≤Ri/2且A＞0.2L無加強(qiáng)圈時的應(yīng)力寬度范圍較其他兩個大，所以應(yīng)確保A控制在小于0.5Ri的范圍內(nèi)，若不能保證，則需增設(shè)加強(qiáng)圈，以確保壓力容器的安全性。

（3）在A/L=0.25且L/R＜16時壓力容器及鞍座處產(chǎn)生的應(yīng)力最小。

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