基于ABAQUS含缺陷球罐有限元分析

林 平，翁东山，余祥峰

（福建省锅炉压力容器检验研究院，福建 福州 350008）

1 引言

球罐是化工和机械方面极为重要的设备，一旦发生事故将对环境、生命和财产安全造成巨大损失[1]。为此，张志亮等人在不同方面对球罐开展了大量研究[2，3，4]。球罐由于设计或制造质量控制不良等原因，产生较大应力集中，经过一段时间的使用，应力集中的地方或多或少都会出现损伤，从而产生各种缺陷。其中裂纹危害性最大[5，6]，所以加强对裂纹缺陷的研究具有十分重要的意义。文中利用有限元abaqus软件模拟球罐在不同工况下的应力分布情况，为球罐检验及安全评定提供参考。

2 基于abaqus球罐整体受力分析

2.1 球罐模型建立

模型以650m3氮气球罐为例，材料采用Q345R，计算中材料参数如表1所示。球罐内径为10000mm，板厚为40mm，主体结构形式为赤道正切柱式，简化模型如图1所示。球罐为轴对称结构，文中仅切取一半进行分析。在立柱与球罐接触部分进行切割并细化，网格划分采用二次四面体单元（C3D10），初始网格划分如图2所示，网格总数为113938。

表1 球罐模型参数

图1 球罐简化模型

图2 初始网格划分

2.2 重力载荷下球罐受力分析

球罐立柱下端面施加约束，整体施加重力载荷，应力云图如图3所示。立柱与球壳板外表面焊接焊缝存在较大应力，最大值约为32MPa，立柱其他部分应力较为均匀，应力大小约为11MPa。球罐内表面应力分布如图4所示，立柱焊缝所在区域同样存在较大应力，应力由中心逐步向周围递减，最大值约为2MPa。球罐整体位移如图5所示，重力载荷下，球罐整体下沉0.31mm。

图3 重力载荷下应力分布云图

图4 重力载荷下球罐内表面应力分布云图

图5 重力载荷下位移云图

2.3 不同内压球罐整体应力分析

对球罐内表面分别施加不同压力，应力分析如图6所示。整体上看，内压力作用下球壳板整体膨胀，受立柱约束，立柱角焊缝边缘应力明显大于壳体其余部分压力。在立柱焊缝的上下边缘产生较大应力集中，内压为1MPa、2MPa时，该位置应力分别高达95MPa和168MPa。随着压力的升高，应力集中越明显。因此在球罐定检中，需加强该位置探伤。

图6 不同压力下球罐整体应力分布

球罐属于薄壁容器，根据GB150-2011《固定式压力容器》标准，忽略容器壁面径向应力，计算的应力仅考虑沿壁厚均匀分布的薄膜应力，计算如公式（1）。

式中P为内压，R为球罐外径，t为壁厚。对不同内压情况球壳板内部进行理论计算：

在有限元模型中提取板厚方向节点应力，将其理论计算结果进行对比，如图7所示。结果表明，该模型计算结果与理论计算值相符合，证明此模型计算的准确性。

图7 有限元分析结果与理论计算对比分析

2.4 含裂纹缺陷球壳板受力分析

球壳板径向应力分析结果可知内表面应力略大于外表面，同时内表面与介质直接接触，更易产生裂纹。通过在Abaqus有限元模型建立时，内表面预制一条长20mm、深5mm的裂纹，分析其在不同内压下应力分布，如图8所示。分别提取不同压力下裂纹尖端节点应力，如图9所示。结果表明，裂纹尖端存在很大应力集中，应力远高于无缺陷时的应力值。随着压力升高，应力集中越明显。因此，TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》明确要求裂纹必须消除。

图8 不同内压下裂纹区应力分布

图9 不同内压下裂纹尖端应力分布

3 结论

（1）球罐在重力载荷作用下，立柱产生弹性变形，立柱角焊缝处内外表面存在较大的应力，最大值约为32MPa，在材料弹性区内。

（2）球罐内部加压后，整体膨胀。受支柱约束作用，立柱角焊缝边缘应力较大，随着压力升高，应力集中越明显。

（3）内表面的裂纹缺陷产生很大的应力集中，压力越高越明显。