大型儲油罐應(yīng)力分析與強(qiáng)度校核

大型儲油罐應(yīng)力分析與強(qiáng)度校核

大型儲油罐是儲油和成品的設(shè)備?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。它在化工、石油等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，但也是一個經(jīng)常發(fā)生事故的地方。因此有必要計(jì)算大型儲油罐應(yīng)力并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對它們進(jìn)行應(yīng)力分析、強(qiáng)度校核和優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文采用在國際上應(yīng)用極為廣泛的商用有限元計(jì)算軟件——ANSYS軟件對大型儲油罐進(jìn)行分析計(jì)算,并按照ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第二冊的規(guī)定進(jìn)行強(qiáng)度校核。1元模型的構(gòu)建1.1儲油罐筒體材料某油庫大型儲油罐,浮頂由厚度為40mm的16MnR鋼板卷制而成,儲油罐筒體材料為15MnNbR,內(nèi)直徑為15900mm,名義厚度為52mm,其屈服極限σs=520MPa,常溫下許用應(yīng)力[σ]t=350MPa,如圖1。1.2實(shí)體單元的選取根據(jù)整體結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性,本分析取儲油罐的二分之一結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分和應(yīng)力分析,如圖2。本問題模型是空間一般形狀的物體,不能進(jìn)行平面簡化,因而必須選取實(shí)體單元單元,ANSYS提供的SOLID95實(shí)體單元具有以下特性:用于仿真3維實(shí)體結(jié)構(gòu),單元由8節(jié)點(diǎn)組合而成,每個節(jié)點(diǎn)具有x,y,z位移方向的三個自由度。故采用三維20節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(SOLID95),總數(shù)為34329,節(jié)點(diǎn)數(shù)為70739。1.3簡化設(shè)計(jì)及約束由于儲油罐的承載特性,在考慮其載荷作用時,不僅要考慮內(nèi)壓等的面力作用而且應(yīng)考慮重力等體力的影響。完整的儲油罐分析應(yīng)考慮以下載荷:(1)設(shè)計(jì)壓力P=8.8MPa;儲油罐總重470000Kg。(2)風(fēng)載荷:按照石化廠所處位置,這里取平均風(fēng)速為70m/s,根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可以將風(fēng)激勵簡化為加載函數(shù):p=0.441×sinωt0.5×(0.5×cos2φ×cosθ-sin2φ)=250Pa(3)地震載荷:包括水平地震力和垂直地震力;地震波選取寧河天津波地震記錄,取其垂直方向和南北方向的記錄,記錄時長24.31S,時間間隔0.01s,從記錄值中每隔0.1s取一個值,一共240個。(4)雪載荷:本分析將雪載荷簡化成一個基本雪壓,作為一個靜載,加在儲油罐的上部,即Y坐標(biāo)大于等于0的所有面都加上這一雪壓。雪壓約為450Pa。約束條件:在圖2所示的1/2儲油罐中心平面上施加對稱約束;在儲油罐底板上施加固定約束。(如圖3)。1.4計(jì)算有限差分的軟件本分析采用目前在國際上應(yīng)用極為廣泛的商用有限元計(jì)算軟件——ANSYS9.0軟件。2罐浮頂與筒體連接由儲油罐應(yīng)力強(qiáng)度云圖3、圖4可知,儲油罐浮頂與筒體連接處、儲油罐底板與筒體處出現(xiàn)了應(yīng)力集中,且最大應(yīng)力強(qiáng)度發(fā)生在此處,最大應(yīng)力當(dāng)量值為221.8MPa。3優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)優(yōu)化三個必要因素:a.優(yōu)化設(shè)計(jì)變量:儲油罐筒體壁厚和頂部浮頂厚度;b.優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo):結(jié)構(gòu)輕量化;c.約束條件:最大當(dāng)量應(yīng)力值不超過常溫下許用應(yīng)力350MPa。應(yīng)用ANSYS軟件開發(fā)的儲油罐參數(shù)化APDL程序,調(diào)整儲油罐筒體壁厚和浮頂厚度進(jìn)行接觸有限元分析,其結(jié)果如表1、表2所示。3.1儲油罐筒體壁厚的影響我們選取儲油罐壁厚參考范圍t1∈,t1為鋼板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格厚度,WT是儲油罐的重量。從表1可以看出,儲油罐筒體壁厚從52mm增加到92mm,變化頗大,但最大當(dāng)量應(yīng)力值變化值不超過1%,儲油罐重量卻增加了8.5%,因此,筒體壁厚對最大當(dāng)量應(yīng)力值影響不是很大,但對儲油罐重量影響較大,因此,在工藝、制造及條件允許的情況下,應(yīng)該盡量減少儲油罐筒體壁厚,以達(dá)到結(jié)構(gòu)輕量化的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。3.2浮頂厚度與最大減量應(yīng)力值的關(guān)系我們選取浮頂厚度參考范圍t2∈,t2為鋼板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格厚度,WT是儲油罐的重量。從表2可以看出,浮頂厚度與最大當(dāng)量應(yīng)力值有著非常大的影響。雖然其厚度只從40mm增加到48mm,但其最大當(dāng)量應(yīng)力值減少了10.9%。然而儲油罐重量變化卻不大,只增加了不到1%,因此,在工藝、制造及條件允許的情況下,應(yīng)該盡量增加浮頂厚度。4薄膜應(yīng)力分析的強(qiáng)度按照ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第二冊中AD一140設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的規(guī)定,強(qiáng)度校核采用最大剪應(yīng)力理論,應(yīng)力強(qiáng)度規(guī)定為最大剪應(yīng)力的2倍,即S=ⅧS12,S23,S31Ⅷmax式中:S12=σ1-σ2,S23=σ2-σ3,S31=σ3-σ1其中:S為應(yīng)力強(qiáng)度,σ1為第一主應(yīng)力,σ2為第二主應(yīng)力,σ3為第三主應(yīng)力。根據(jù)ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅶ卷第二冊強(qiáng)制性附錄4(以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì))中的規(guī)定:一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度Pm應(yīng)不超過設(shè)計(jì)許用應(yīng)力強(qiáng)度值Sm,即Pm≤Sm。一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度許用極限PL為1.5Sm,即:PL≤1.5Sm一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度PL+Pb的許用極限為1.5Sm,即:PL+Pb≤1.5Sm一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力及二次應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度PL+Pb+Q的許用極限為3Sm,即:PL+Pb+Q≤3Sm根據(jù)上述規(guī)定,可對本分析中的最大應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度校核。(Sm=157MPa),如表3。強(qiáng)度校核評定結(jié)果均屬安全。6罐體及罐體的確定(1)本文應(yīng)用有限元軟件ANSYS對大型儲油罐進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析,并根據(jù)應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法,采用ASME第Ⅶ卷第二冊的規(guī)范對其最大應(yīng)力集中處進(jìn)行了強(qiáng)度校核,認(rèn)為該大型儲油罐在正常操作運(yùn)行過程中是安全的。(2)儲油罐浮頂與筒體連接處、儲油罐底板與筒體處出現(xiàn)了應(yīng)力集中,且最大應(yīng)力強(qiáng)度發(fā)生在此處;同時在工藝、制造及條件允許的情況下,