650 m3液态CO2球罐应力分析

张　薇　大庆油田工程有限公司

650 m3液态CO2球罐应力分析

张薇
大庆油田工程有限公司

球形容器广泛用于存储液化石油气、液化天然气、液态二氧化碳、压缩空气等物料。利用有限元软件ANSYS对650 m3液态CO2球罐的强度及疲劳问题进行了分析。结果表明，支柱与球壳板连接部位是应力集中最大部位，即所谓的“a点应力”部位，在设计该部位时要尽可能圆滑过渡；另外该部位的刚性不能过大。上、下极带的管口需根据管口间距，合理地建立单个或联合开孔的有限元模型。

球罐；ANSYS软件；模型；应力；疲劳强度

引言

球形容器是重要的存储设备，与其他类型容器相比，其具有几何形状的中心对称性，因此受力均匀，承载能力强，材料利用率高。该容器广泛用于存储液化石油气、液化天然气、液态二氧化碳、压缩空气等物料。

利用有限元软件ANSYS对650 m3液态CO2球罐的强度进行了分析，求出结构在各工况下的应力分布情况，进而找出最大应力点进行疲劳分析。

1　建模

1.1计算模型

球罐直径为10 700 mm，采用橘瓣式6支柱结构，设计压力2.5 MPa，设计温度-40℃，材料弹性模量E=205 000 MPa，泊松比0.3。球罐的材料性能数据见表1，循环次数计算见表2。

表1　材料性能数据

表2　循环次数计算

1.2有限元模型

取实体作为分析对象并进行适当简化，由于结构是关于中心平面对称的，为减小计算规模，取1/2实体进行建模。

球罐本体及支柱结构采用20节点三维实体单元（SOLID 95）；拉杆采用2节点杆单元（LINK8），有限元模型见图1。

图1　有限元计算模型

1.3载荷及边界条件

位移边界条件：在XY坐标平面（总体笛卡尔坐标系，相当于球罐对称面）施加对称边界条件；支腿下端DX=DY=DZ=0（总体笛卡尔坐标系）。

力边界条件：分别按自重+计算压力、自重+计算压力+风载、自重+计算压力+25%风载+地震、压力试验四种载荷工况施加。

2　应力分析结果

工况①：即操作工况，仅考虑设计压力、液柱静压力及重力，整体结构应力见图2。

图2　工况①结构应力云图

工况②：在考虑设计压力、液柱静压力及重力同时，施加650 N/m2风载荷，整体结构应力见图3。

图3　工况②结构应力云图

工况③：按地震设防烈度为7度，地震加速度为0.1g施加水平地震力，整体结构应力见图4。

图4　工况③结构应力云图

工况④：即压力试验工况，球罐充满水介质，压力为2.5×1.25=3.13MPa，重力加速度g=9.81m/s2。

图5　工况④结构应力云图

球罐人孔及接管局部结构分析时考虑到自重、风压和地震载荷对分析结果影响甚微，本文分析时只考虑计算压力载荷。

局部结构应力最大点应力分析结果见图6。

图6　DN500+DN50接管结构应力分析结果

3　疲劳强度评定

由于本设备所有接管选用的材料相同，各接管处应力最大值位置相似，疲劳评定用的曲线相同，所以选取1个应力最大点进行疲劳评定。

工作压力循环为1.3～2.3 MPa，考虑介质液柱静压，按1.3～2.41 MPa最保守压力循环做疲劳分析。

分析结果表明：累计用度系数=0.033 58＜1.0，即疲劳校核合格。

4　结论

（1）球罐的整体应力分析应考虑多种载荷及不同工况，分别建立模型进行分析，合理地施加力边界条件和位移边界条件。

（2）支柱与球壳板连接部位是应力集中最大部位，即所谓的“a点应力”部位，在设计该部位时要尽可能圆滑过渡，另外该部位的刚性不能过大。

（3）上、下极带的管口需根据管口间距，合理地建立单个或联合开孔的有限元模型。

（4）采用ANSYS有限元软件对650 m3液态CO2球罐进行了应力分析设计，实际运行表明，分析手段和结果安全可靠。

（栏目主持杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.7.012

2015-01-21