10000m3丁烷球罐应力分析与评定

　　国内10000 m3球罐的设计与建造以前一直由国外公司承担,完全由国内设计单位与厂商共同承担的10000 m3球罐设计与建造的尚没有先例。全国锅炉压力容器标准化技术委员会在本次承担的南沙高纯复合LPG加工项目中对10000 m3丁烷球罐的分析尚属国内首次,此项目中通过有限元应力分析技术与标准评定方法[1、2]实现了10000 m3丁烷球罐的应力分析设计,同时分析中利用ANSYS有限元分析软件提供的APDL程序设计技术实现了支柱位置优化设计,不仅从整体上减少了设备的投资,而且使整个球罐应力水平有所降低,体现了分析设计的先进性。本球罐除原材料板材NK-HITEN610U2和焊接材料由日本进口外,其余设计及建造工作完全由国内承担,真正实现了国产化。本次分析将为我国的大型球罐设计提供可借鉴的经验。

　　1　模型构建及载荷分析工况的确定

　　1·1　应力分析基础条件

　　该10000 m3球罐为南沙高纯复合LPG加工项目中的丁烷球罐[3],球罐的建造地点在广东番禺。表1给出了本球罐的主要设计参数。

　　1·2　分析模型的构建

　　根据球罐整体结构特性和承载特性,在有限元模型构建中,总可找到一个对称面,因此在有限元分析中取球罐的1/2构建有限元模型。模型构建中根据该球罐的实际工作条件按压力容器GB12337—1998和JB4792—1995标准初步确定了球罐的结构参数及强度尺寸,经应力分析并按分析设计要求对分析结果评定后[4],经调整,最终确定了整体结构的结构参数和强度参数。主要参数如表2。

　　实际有限元分析模型构建中,为实现支柱位置优化等,利用ANSYS有限元分析软件提供的程序设计技术———APDL语言对所有结构参数、载荷参数及材料参数等均采用参数化的变量处理,在此基础上编制了全自动分析程序,此分析程序对后续介绍的载荷工况均按载荷步进行了处理,同时对分析结果按标准要求及实际承载情况进行了工况组合。该编制程序是一通用性很强的程序,只要按要求给定一组结构等数据,即可实现相应参数下的球罐分析,此参数化程序的编制为球罐优化设计提供了可能。本分析球罐的实体模型及有限元模型见图1、图2。

　　1·3　载荷分析工况及组合

　　根据球罐实际承载情况及球罐设计标准要求[1、2],分析考虑了以下5种载荷工况:

　　(1)自重工况。(2)计算压力工况。(3)风载工况。计算风压按球罐最高处计算并沿迎风侧高度及水平方向呈梯度变化。(4)地震载荷工况。只考虑水平地震。(5)压力试验工况。

　　按分析设计要求进行了以下工况组合[4]:(1)自重+计算压力载荷组合工况。(2)自重+计算压力+风压力载荷组合工况。(3)自重+计算压力+25%风压力+地震载荷组合工况。(4)压力试验载荷工况。