卧式压力容器及鞍座上的应力分布研究

马泽宇，范晓勇，高 勇

（1.兰州理工大学 石油化工学院，甘肃 兰州 730050；2.榆林学院 化学与化工学院，陕西 榆林 719000）

支座为卧式压力容器的主要承载元件，在卧式压力容器中鞍座是较为普遍的一种支座形式，而支座处的筒体截面是一个危险截面，在外载荷与支座反力作用下，筒体会在一定程度上出现扁塌现象，由此导致筒体受力不均匀。由于鞍座承载着整个筒体，鞍座的承压能力至关重要]。因此，必须对卧式压力容器做应力分析，以确保其安全性。文章以鞍座为研究对象，借助有限元分析软件ANSYS进行模拟，分析鞍座在不同情况下时对筒体的应力影响，并根据相关标准规定的应力准则，以确定压力容器的承压能力，预测卧式压力容器在未来某一时间的运行可靠性。文章是在改变鞍座的位置并在一系列的压力下，观察筒体及鞍座上应力分布做了深入研究，且对压力容器及鞍座的主要部分做了应力分析比较，并进行分析研究。

1 有限元分析模型

以200m3液氨储罐为研究对象，储罐结构图如图1所示，有限元模型如图2所示，结构参数如表1所示。

表1 结构参数表

图1 储罐结构图

图2 A为1000mm有限元模型

2 鞍座在不同位置处筒体等效应力分析

分析筒体及鞍座分别在 1.6MPa、1.8MPa、2.0MPa、2.2MPa、2.4MPa、2.6MPa的不同内压作用下的等效应力。

图3 三种情况下等效应力随着内压变化曲线

由图3可以发现等效应力随着内压的增大而增大，当鞍座位置A＞Ri/2，且A≤0.2L，未设置加强圈时的等效应力大于鞍座位置A≤Ri/2时和鞍座位置A＞Ri/2，且A≤0.2L，设置加强圈时的等效应力。而鞍座位置A≤Ri/2时的等效应力与鞍座位置A＞Ri/2，且A≤0.2L，设置加强圈时的等效应力基本一致。所以，鞍座位置A＞Ri/2，且A≤0.2L，未设置加强圈时较为危险。

3 鞍座参数对卧式压力容器应力的影响

分别选取L/R为12、14、16时的固定值时，改变A/L值，查看鞍座的筋板、垫板、腹板、底板、容器的封头、容器的中间部分、封头与鞍座间的部分、鞍座的包角处八个部分的应力值，并对这八个部分的应力值进行分析比较。

由图4（a）可知只有容器的封头和封头与鞍座间的部分的应力没有受到A/L值变化的影响，而鞍座的所有部分以及鞍座的包角处和容器的中间部分都在A/L=0.25处有所下降。

由图4（b）和图4（c）可以得到为使得压力容器及鞍座上的应力能够最小，最好取A/L的值接近0.25。

图4 改变A/L时各部分应力值变化图

4 L/R比值的影响

选取A/L的值为0.25，L/R以2的增量从8变化到20，由图5可知，筋板最大应力在L/R值间于8到16时呈线性增大趋势，而其他七个部分则基本处于恒定状态。底板在L/R大于16时呈下降现象，其他七个部分则呈现不均匀的增大现象。因此，为了保证压力容器及鞍座处的应力处于最小状态，则应选取L/R的值小于16。

图5 A/L=0.25时改变L/R的各部分应力值变化图

5 结语

通过对筒体及鞍座的应力有限元分析，可得到：

（1）筒体上的等效应力的变化与内压力成线性关系，随内压力的增大而增大。

（2）当A≤Ri/2且A＞0.2L无加强圈时的应力宽度范围较其他两个大，所以应确保A控制在小于0.5Ri的范围内，若不能保证，则需增设加强圈，以确保压力容器的安全性。

（3）在A/L=0.25且L/R＜16时压力容器及鞍座处产生的应力最小。

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