开孔接管对卧式储罐承载能力的影响分析
孙红梅1, 赵菲2, 张亚新1    
1. 新疆大学 化学化工学院, 乌鲁木齐 830046;
2. 中国石化工程建设有限公司, 北京 100101
摘要:压力容器上都不可避免地有开孔接管, 从而可能影响容器的承载能力。该文采用有限元方法分析了一个带有接管卧式容器的外压临界载荷和内压极限载荷, 并通过改变接管大小和接管壁厚来考察开孔接管的影响。研究发现: 开孔接管并没有降低卧式容器的外压承载能力, 但会降低设备的内压极限承载能力; 壁厚相同时开孔接管的直径增大, 对外压失稳临界压力几乎没有影响, 但塑性极限载荷值会明显降低; 开孔接管直径相同, 壁厚增大, 设备的外压临界载荷稍有增加, 而塑性极限载荷明显提高。
关键词卧式储罐    有限元法    失稳分析    极限分析    
Effects of openings and nozzles on the load-carrying capability of a horizontal tank
SUN Hongmei1, ZHAO Fei2, ZHANG Yaxin1    
1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830046, China;
2. China Sinopec Engineering Incorporation, Beijing 100101, China
Abstract: Openings and nozzles in a pressure vessel may affect the load-carrying capability of the vessel. Finite element method was used to analyze the critical load of a horizontal vessel with a nozzle under external pressure loading and the limit load under internal pressure loading, with the effects of openings and nozzles with different sizes and thicknesses on the load-carrying capability of the horizontal tank being specially investigated. The results show that the critical load showing the vessel instability almost keeps constant when a nozzle is present at an opening, but that the limit load reflecting the vessel strength obviously decreases. For the same nozzle thickness, with increasing nozzle diameter, the limit load of the vessel remarkably decreases, with the critical load under the external pressure keeping constant. For the same nozzle diameter, the limit load of the vessel significantly increases with increasing nozzle thickness, with the external pressure increase being very limited.
Key words: horizontal tank    finite element analysis    stability analysis    limit analysis    

储罐主要指用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的设备,广泛应用于化工、石油、能源、轻工、环保、制药及食品等行业[1]。就性价比来说,钢材的性能最好,不仅强度高、寿命长,耐腐蚀能力也很优越。立式储罐直径较大但适用压力不高,球形储罐压力高但制造困难,卧式储罐是最常用的储罐形式[2, 3]

压力容器上不可避免地要开孔,开孔处往往都有接管,一般认为,开孔接管会影响容器的强度,因此要对开孔接管进行补强计算。不过,补强计算本质上是局部强度校核,开孔接管对容器承载能力的影响,更应由整体分析得到。

本文采用有限元分析方法,对某卧式储罐进行外压临界载荷和内压极限载荷计算,重点考察开孔接管的影响。

1 卧式储罐基本参数

本文选取某公司的一个卧式储罐进行研究。主要技术参数见表1

表1 卧式储罐主要技术参数
筒体材料Q345R
封头材料Q345R
鞍座材料Q345R
设备净质量/kg23 000
设备充水质量/kg408 000
介质名称液化气
设计压力/MPa1.77
设计温度/℃-65~50
腐蚀裕量/mm2
罐体全容积/m3385

作为研究对象的卧式储罐内径为3 200 mm,两封头切线间长11 700 mm,筒体厚20 mm,两端标准椭圆形封头厚20 mm,腐蚀裕量为2 mm(计算时不含腐蚀余量)。卧罐中间顶部设有接管。

卧罐采用鞍座进行支撑,根据JB4712.1-2007《容器支座--第一部分: 鞍式支座》的规定,选取BⅡ型鞍座,即150°包角、有6块筋板的鞍座[4]

2 外压稳定性分析

压力容器在操作过程中,往往会在整体或局部区域产生压应力,当这个压应力过大时,会导致结构整体或局部发生失稳。不同形式的容器结构以及不同形式的载荷所引起的失稳后的几何形状是不同的。对此,前人做了许多研究。张吴星[5]通过对薄壁圆筒临界失稳的压力理论及试验研究,证明壳体的不圆度和材料缺陷只会降低临界外压值,并不是失稳的原因,壳体失稳和波形数只与材料的性质和容器的几何特征有关。徐蕾和崔立富[6]对大型储罐拱顶进行了有限元研究,提出了含缺陷加筋拱顶的临界失稳载荷实用公式,供建立含缺陷加筋拱顶的安全评定方法参考。而分析压力容器稳定性的目的,是确定容器的临界载荷及失稳模态,以改进措施,提高结构的抗失稳能力[7]。岑文学[8]就对发酵罐进行了外压稳定性分析,并结合设备的使用特点,提出了安装外压安全阀的建议。

外压圆筒可按相关标准(如GB150)进行设计,本文运用ANSYS有限元软件进行分析。由于卧式储罐中的主要部件都具有薄壳结构的几何特征,因此选用壳单元SHELL181进行建模、网格划分和计算。

卧式储罐的筒体、封头和鞍座材料均为Q345R,在常温下材料的弹性模量为206 000 MPa,泊松比为0.3,屈服点为345 MPa,其设计温度下的设计应力强度值为165 MPa[9]

以罐体的中径为模型的直径,两切线距离为筒体长度(其中包括两个椭圆封头的直边段),鞍座的底板、筋板、腰板和垫板也都用壳单元建立模型。以罐体的轴向为Y轴正向,按照右手定则建立直角坐标系。在鞍座底部施加全约束。见图1

图1 卧式储罐的整体几何模型

用ANSYS软件进行稳定性屈曲分析时,先要进行特征值屈曲分析,再根据分析结果,进行非线性屈曲分析确定临界载荷。周晓来[10]用力学模型分析法和有限元分析法对某储气罐筒体进行了稳定 性有限元分析,对比发现特征值法比非线性屈曲法算出的值大,误差较大,建议在实际结构失稳分析中采用非线性屈曲法。

特征值分析一般用于预测理想弹性结构的理论屈服强度,而非线性分析比特征值分析更加精确,一般可用于实际工程分析。非线性分析也分为几何非线性、材料非线性、几何材料双非线性3种,本文属于几何非线性。

在特征值分析时,分为求取静力解和屈曲分析两部分。选取罐体所有面,对其施加1 MPa的外压载荷,激活预应力影响,进行计算。在计算完成后,将分析类型变为屈曲分析,用Block Lanczos法进行结算,并提取一阶模态,设定模态扩展数为1,进行求解。对于本文所研究的设备,若没有接管,计算可得到设备的特征值为0.367,再与之前施加的外压值相乘,得到临界载荷为0.367 MPa。

在进行几何非线性分析时,需要施加初始缺陷,以改变结构的初始形状。激活几何非线性,并设置线性加载,根据特征值算出的结果,重新施加外压值为0.5 MPa,采用弧长法求解,设定载荷子步数,进行求解。打开非线性求解列表,根据收敛性确定临界载荷为0.727 89,与外压值相乘,结果为0.364 MPa,这是按非线性屈曲计算所得到的临界载荷。可以看出,非线性分析结果略小于特征值分析结果。一般在实际工程中选用非线性分析结果,即设备的外压失稳临界载荷为0.364 MPa。

为研究开孔接管大小和壁厚两个因素对设备外压稳定性的影响,分别选取不同直径和同一直径但不同厚度的接管进行分析,计算结果如表2所示。

表2 不同大小的开孔接管对外压临界载荷的影响
实验组序号 接管尺寸外压临界载荷/MPa
(mm×mm) 特征值法非线性分析法
160×100.367 330.364 69
289×100.367 310.364 49
3114×100.367 360.364 61
4219×100.367 620.364 81
5325×100.368 100.364 91
6406×100.368 560.364 81
7508×100.369 330.364 27
8508×140.369 450.365 00
9508×180.369 480.365 39
10508×220.369 480.365 68
11508×260.369 490.365 75
12508×300.369 500.365 84

由计算结果可以看出,与没有接管的卧罐相比,有接管的卧罐外压临界载荷并没有降低,甚至略微增大; 在相同壁厚的条件下,开孔接管的直径增大,临界载荷变化不大; 在同样直径的开孔中,壁厚越厚,临界载荷稍有增大。这里所得到的结果好像出乎意料之外,但其实是可以理解的。开孔接管对设备强度可能有明显影响(见下节极限分析),外压开孔补强本质上也是强度校核,但外压失稳则是刚度问题。如果开孔后有接管,设备总的抗弯刚度可能并没有下降,反而可能有所增大,因此,在目前提倡按失效模式设计的理念下,建议对外压设备进行外压临界载荷非线性计算,可能既降低设备成本,又解决了大开孔等类似技术难题。

3 内压极限分析

当承受内压时,若假设材料是理想弹塑性材料,则当压力增大到某一极限值时,结构会变成不稳定的垮塌结构,从而丧失承载能力,此时载荷不变但应变能无限增加,这种状态称为塑性极限状态,所对应的载荷为“极限载荷”。

根据ASME第八章第二节规范4-136.3款的规定: “如果可以用极限分析或试验证明: 规定的载荷不超过极限载荷下限的三分之二,则在特定位置上不需要满足局部薄膜应力强度极限和一次薄膜加一次弯曲应力强度极限。”为了节省材料、优化设计,极限分析的应用越来越广泛。

进行极限分析时,首先利用软件对结构进行弹塑性有限元分析,并作载荷-位移或载荷-应变图。确定极限载荷的方法有两倍弹性斜率法、双切线法和零曲率法。这里依照ASME规范定义的两倍弹性斜率线与载荷-应变曲线的交点所对应的载荷为极限载荷,对于本文无开孔接管的容器,极限载荷的确定见图2所示。图中实线为提取出的最大位移点的载荷-应变曲线,虚线为所作的两倍弹性斜率线。由此可得到结构的计算极限载荷为4.38 MPa。再根据ASME的规定,取计算值的2/3为结构的极限载荷值(或许用极限载荷)。该卧式储罐的极限载荷值为2.92 MPa,是设计内压的1.65倍。

图2 极限载荷的确定

为研究接管大小对设备塑性极限载荷大小的影响,在容器上开设不同大小的孔并连接相应接管,再改变接管壁厚以考核壁厚的影响,结果见表3,从序号1-6的结果并比较无开孔接管的极限载荷(2.92 MPa)可以看出,有接管的容器极限载荷有所降低; 在相同壁厚的条件下,开孔接管的直径增大,极限载荷值降低。从序号7-12的结果可以看出,对于同样直径的开孔接管,接管壁厚越大,极限载荷值越大。

表3 不同大小的开孔接管对容器极限载荷的影响
实验组序号接管尺寸/(mm×mm)极限载荷/MPa
160×102.847
289×12.767
3114×102.713
4219×12.473
5325×12.273
6406×12.193
7508×102.133
8508×12.180
9508×182.233
10508×22.287
11508×22.333
12508×32.420
4 结 论

本文对一个卧式容器进行非线性屈曲分析和极限载荷分析,并考察开孔接管的影响。所得结论如下。

1) 开孔接管并没有降低卧式容器的外压承载能力,但会降低设备的内压极限承载能力;

2) 壁厚相同,开孔接管的直径增大,外压失稳临界压力几乎没有受到影响,但塑性极限载荷值会明显降低;

3) 开孔接管直径相同,壁厚增大,设备的外压临界载荷稍有增大,而塑性极限载荷明显提高。

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