可拆卸儲罐罐體的有限元分析

金志浩， 王 雷， 徐曉光， 楊錚鑫， 于寶剛

(1.沈陽化工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142; 2.阜新市強制隔離戒毒所， 遼寧 阜新 123000)

隨著中國經(jīng)濟的高速增長，我國公路交通建設(shè)迅速發(fā)展，應(yīng)市場要求，瀝青行業(yè)也日益興起[1].作為儲存裝置，儲罐在瀝青行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[2].由于大型儲罐具有節(jié)約鋼材，占地面積小，便于操作管理，可有效節(jié)省建設(shè)投資等優(yōu)點，儲罐大型化已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢[3].趙學(xué)鋒等人利用有限元仿真分析軟件，對“定點法”和“變點法”設(shè)計的大型儲罐進行了模型分析，發(fā)現(xiàn)可根據(jù)應(yīng)力分布情況有針對性的對罐壁厚度進行優(yōu)化設(shè)計[4].李金龍等人通過ANSYS 分析軟件對所設(shè)計的2×105m3大型儲罐的強度進行了分析[5].劉濤等人利用有限元軟件ANSYS，在水壓試驗工況下，對105m3大型外浮頂式原油儲罐進行了分析[6].但由于不利于拆卸移動，大型化的儲罐無法滿足某些行業(yè)希望設(shè)備在使用完畢后可以進行拆除再利用而不浪費材料的需求[7].本文研究的可拆卸儲罐是將罐壁節(jié)板焊接后，壁板縱向以連接板和螺栓的形式進行連接，進而達到方便拆卸的目的.該結(jié)構(gòu)壁板便于進行拆卸，這樣既可以節(jié)省空間，又可以讓設(shè)備在其他地點再次使用，提高設(shè)備的利用率，不致浪費材料.研究利用有限元分析軟件ANSYS對該結(jié)構(gòu)儲罐罐體進行了分析，獲得了儲罐各部位的應(yīng)力分布狀況，確定了儲罐可能發(fā)生危險的部位，并對這些關(guān)鍵部位進行強度評定，為今后結(jié)構(gòu)優(yōu)化的深入研究提供參考.

1 罐體的結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料參數(shù)

1.1 罐體的結(jié)構(gòu)參數(shù)

儲罐罐體內(nèi)徑8 200 mm，罐高9 500 mm，儲罐內(nèi)容500 m3.圓周方向上由12片壁板組成，罐壁板節(jié)板鋼板寬2 125 mm.垂直方向上由7層鋼板組成，其中下方6層每層鋼板高均為1 500 mm，最上方一層鋼板高500 mm，鋼板厚度從下到上：0～4.5 m為12 mm、4.5～7.5 m為10 mm、7.5～9.5 m為8 mm.連接板寬136 mm，厚度從下到上：0～3.0 m為14 mm；3.0～6.0 m為12 mm.螺栓孔中心距連接板側(cè)邊緣20 mm，連接板外側(cè)最下方螺栓孔中心距法蘭下邊緣65 mm，連接板內(nèi)側(cè)最下方螺栓孔中心距連接板下邊緣30 mm，兩螺栓孔中心間距70 mm.密封墊片寬60 mm，厚3 mm.組裝時每片連接板用M16×65的8.8級高強螺栓.螺栓連接板結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 螺栓連接板結(jié)構(gòu)

1.2 罐體的材料參數(shù)

儲罐罐壁和連接板材料采用Q235，螺栓為8.8級的高強螺栓.兩種材料的彈性模量和泊松比大致相同.但在進行應(yīng)力分析時，兩種材料需要分別考慮各自的力學(xué)性能.材料性能如表1所示.

表1 材料性能

2 罐體有限元分析

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

儲罐的結(jié)構(gòu)、 載荷和約束具有軸對稱的特點，故采取軸對稱模型進行處理.為便于計算，節(jié)約計算時間，在分析過程中只選取儲罐的1/6建立模型，并且對所建模型進行合理簡化，忽略一些對分析結(jié)果影響微小的部分以提高效率.模型中包括兩片壁板、兩壁板間的連接板、螺栓和墊片.罐體有限元模型如圖2所示.罐壁、連接板和螺栓采用3維8節(jié)點固體結(jié)構(gòu)單元SOLID185進行網(wǎng)格劃分.在螺桿劃分單元基礎(chǔ)上，需要在螺桿上創(chuàng)建預(yù)緊力單元PRETS179模擬螺栓預(yù)緊力效果.同時采用TARG170/CONT174接觸單元模擬螺栓、螺母與連接板間及墊片和連接板的接觸行為.整個模型總共劃分444 049個單元，其節(jié)點數(shù)為510 709個.

圖2 罐體有限元模型

2.2 邊界條件及施加載荷

在儲罐充滿介質(zhì)的工況下，所建模型主要承受的載荷是罐體自重和液體靜壓力.在分析儲罐自身重力的影響時，可對所建模型施加在Z方向的重力加速度g=9.8 m/s2.由于罐壁承受的液體靜壓力是按三角形線性分布的，自上至下逐漸增大，因此可在儲罐內(nèi)壁施加三角形分布的梯度載荷.瀝青相對于水的密度為1 150～1 250 kg/m3，故介質(zhì)密度設(shè)置為ρ=1 250 kg/m3，儲罐高9.5 m，儲罐內(nèi)壁最低端的液體靜壓力p=ρgh=116.375 kPa.螺栓的連接需要施加預(yù)緊力，根據(jù)計算結(jié)果，對模型中每個高強螺栓施加25 kN的預(yù)緊力.同樣，墊片與連接板間也需要施加22.5 kN的載荷，采用等效載荷來代替墊片對連接板強度和剛度的影響.儲罐罐底使用螺栓將底部連接板和罐底板相連接，故在罐壁底面施加Z方向的約束，同時在壁板側(cè)邊緣施加對稱約束.

3 應(yīng)力分析與強度評定

模擬選用SOLID185單元，分析結(jié)果中無法直接提供結(jié)構(gòu)中的平均應(yīng)力(薄膜應(yīng)力)和表面應(yīng)力(即薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力)，因此需要進行應(yīng)力線性化處理.根據(jù)分析得到的應(yīng)力值確定結(jié)構(gòu)的危險區(qū)域，在這部分區(qū)域的關(guān)鍵點之間選取路徑，然后以應(yīng)力線性化原理為依據(jù)求解出模型的薄膜應(yīng)力及薄膜加彎曲應(yīng)力，最后根據(jù)相關(guān)標準將線性化結(jié)果進行校核.

3.1 螺栓應(yīng)力分析及強度評定

圖3給出了螺栓整體的應(yīng)力強度云圖.

圖3 螺栓應(yīng)力強度云圖

從圖3可以看出：螺栓的一小部分區(qū)域出現(xiàn)了整個罐體結(jié)構(gòu)中的最大應(yīng)力(712.9 MPa)，該值略大于螺栓的屈服應(yīng)力640 MPa.雖然在螺栓的局部位置出現(xiàn)了應(yīng)力較大的情況，但從分析設(shè)計角度考慮，結(jié)構(gòu)一點的應(yīng)力值高并不能說明該結(jié)構(gòu)一定是不安全的，需要在該截面處進行詳細的應(yīng)力分類后再進行判別.圖3同時將應(yīng)力最大處的螺栓局部進行了放大，路徑1選取了螺栓最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置，即危險截面.沿著路徑1對其進行應(yīng)力線性化處理，得到其一次局部薄膜應(yīng)力值為301.4 MPa，一次應(yīng)力加二次應(yīng)力值為581.9 MPa.根據(jù)JB4732—1995《鋼制壓力容器分析設(shè)計標準》中的相關(guān)規(guī)定，評定點的SⅡ≤1.5Sm、SⅣ≤3Sm即認為該點應(yīng)力校核合格[8]，Sm是所用螺栓的設(shè)計應(yīng)力強度.因為SⅡ=301.4 MPa≤600 MPa，SⅣ=581.9 MPa≤1200 MPa，所以螺栓滿足其在操作狀況下的應(yīng)力強度要求.

3.2 連接板應(yīng)力分析及強度評定

圖4給出了整體連接板應(yīng)力強度云圖.從圖4可以看出：應(yīng)力最大處位于連接板內(nèi)側(cè)的底部，最大應(yīng)力值為381.2 MPa.由于介質(zhì)壓力作用于該處，在罐底處會產(chǎn)生一定的彎矩，使此部分承受較大的應(yīng)力；與此同時，連接板伸入罐壁內(nèi)使該處存在截面突變的現(xiàn)象，進而導(dǎo)致該處的應(yīng)力集中.該處結(jié)構(gòu)的不連續(xù)導(dǎo)致了應(yīng)力奇異點的出現(xiàn)，這往往也是應(yīng)力變大的主要因素.同樣，需要在連接板的危險截面選取路徑進行線性化處理.路徑2選取了連接板內(nèi)側(cè)底部發(fā)生應(yīng)力集中的部分.沿著該路徑進行應(yīng)力線性化處理，得到其一次局部薄膜應(yīng)力值為220 MPa，一次應(yīng)力加二次應(yīng)力的值為346.7 MPa.根據(jù)JB4732—1995相關(guān)規(guī)定，評定點的SⅡ≤1.5Sm、SⅣ≤3Sm即認為該點應(yīng)力校核合格，Sm是所用連接板的設(shè)計應(yīng)力強度.因為SⅡ=220 MPa≤225 MPa，SⅣ=346.7 MPa≤450 MPa，因此連接板滿足其在操作狀況下的應(yīng)力強度要求.

圖4 連接板應(yīng)力強度云圖

3.3 罐壁應(yīng)力分析及強度評定

圖5給出了罐壁應(yīng)力強度云圖.

圖5 罐壁應(yīng)力強度云圖

從圖5可以看出：應(yīng)力最大處出現(xiàn)在第二層和第三層間與連接板相連接的焊縫附近，最大應(yīng)力值為40.6 MPa.應(yīng)力較大的位置多分布于壁板厚度發(fā)生變化的焊縫處，由于壁板截面發(fā)生變化，從而使應(yīng)力集中在該位置.同時，應(yīng)力較大位置多集中于罐壁與連接板連接處，這種結(jié)構(gòu)的不連續(xù)同樣會使應(yīng)力變大.在遠離這部分區(qū)域的位置，應(yīng)力則相對較小.在進行罐壁的應(yīng)力線性化處理時，路徑3選取罐壁結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域應(yīng)力集中的部分，沿著該路徑進行應(yīng)力線性化處理，得到不連續(xù)區(qū)域的一次局部薄膜應(yīng)力值為37.4 MPa，一次應(yīng)力加二次應(yīng)力的值為40.3 MPa.根據(jù)JB4732—1995相關(guān)規(guī)定，罐壁不連續(xù)區(qū)域評定點的SⅡ≤1.5Sm、SⅣ≤3Sm即認為該點應(yīng)力校核合格，Sm是罐壁材料的設(shè)計應(yīng)力強度.SⅡ=37.4 MPa≤225 MPa，SⅣ=40.3 MPa≤450 MPa.路徑4選取了遠離罐壁結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域的部分，沿著該路徑進行應(yīng)力線性化處理，得到了遠離罐壁不連續(xù)區(qū)域的一次總體薄膜應(yīng)力值為4.4 MPa，一次薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力的值為4.5 MPa.根據(jù)JB4732—1995相關(guān)規(guī)定，罐壁遠離不連續(xù)區(qū)域評定點的SⅠ≤Sm、SⅢ≤1.5Sm即認為該點應(yīng)力校核合格.因為SⅠ=4.4 MPa≤150 MPa、SⅢ=4.5 MPa≤225 MPa，因此罐壁滿足其在操作狀況下的應(yīng)力強度要求.

4 結(jié) 論

螺栓最大應(yīng)力712.9 MPa發(fā)生在儲罐第二層和第三層附近，雖然其局部位置應(yīng)力較大，但是經(jīng)過強度評定，滿足強度要求.連接板最大應(yīng)力381.2 MPa位于連接板內(nèi)側(cè)的底部，經(jīng)過強度評定，滿足強度要求.罐壁應(yīng)力最大40.6 MPa出現(xiàn)在第二層和第三層間與連接板相連接的焊縫附近，經(jīng)過強度評定，滿足強度要求.因此，在操作工況下，該儲罐罐體滿足設(shè)計要求，不會發(fā)生強度失效.該結(jié)構(gòu)屬于創(chuàng)新性實用模型，可為今后相關(guān)設(shè)計提供參考.同時該結(jié)構(gòu)還可以進一步優(yōu)化.