大型卧式LPG覆土子弹罐应力分析设计方法

陆青松，郭春光

(1.安徽城市管理职业学院 轨道交通学院，安徽 合肥 231600；2.合肥通用机械研究院，安徽 合肥 230031)

覆土子弹罐(Mounded Bullet)作为一种液化石油气(LPG)的常温存储设备，广泛应用于欧盟及美洲等地区，亚洲、非洲地区也在逐步推广.覆土式储罐可有效防止常温压力存储液化烃时的沸腾液体扩散蒸汽爆炸,且不受临近热源、爆炸冲击波、飞溅物冲击或其他突发情况损害，具有美化环境、减少占地面积、缩小与周边临近设施安全距离等优点.近年来随着综合国力和科技水平的提高，特别是国家“一带一路”战略实施以来，中国在国际上承接的大型石化工程项目日益增多，这些项目一般要求按照国际标准进行设计建造[1]，本文中覆土子弹罐即为国际工程项目设备，具体结构如图1所示.本次应力分析设计方法主要为依据EEMUA190标准[2]和ASME Ⅷ-2规范[3]，并应用ANSYS有限元软件对3 000 m3LPG覆土子弹罐进行了仿真分析[4]，可以为国内外大型卧式覆土子弹罐的应力分析设计提供参考.

(a)

1 主要参数

1.1 设计参数

表1 LPG覆土子弹罐主要设计参数

1.2 材料基本参数

表2 材料基本参数

2 主体尺寸设计

按照EEMUA190标准要求，覆土子弹罐直径不应超过8 m，容积不应超过3 500 m3.罐体长度与罐体直径之比不应超过8，否则决定罐体厚度的载荷将不是介质内压或者覆土外压，而是弯曲应力和摩擦力，这样的设计是不经济的.

根据以上要求可以选取罐体内直径D=8 m，筒体段长度L=55 m，罐体总长度63 m.封头采用半球形封头，计算可知罐体的公称容积为3 033 m3，具体的覆土子弹罐主体尺寸结构如图2所示.

图2 LPG覆土子弹罐主体尺寸简图

根据罐体内压，按照ASME Ⅷ-2规范初步确定壳体壁厚.另外，依据EEMUA190标准的要求，圆柱壳体的厚度与直径之比不应小于1/400.外径与内径之比不应大于1.3.如果采用半球形封头，封头厚度不应小于12 mm，且封头厚度与容器直径之比应该在0.002至0.16之间,计算筒体壁厚如下：

(1)

封头厚度计算如下：

(2)

其中:P为计算压力，包括了设计内压和介质静压力，SE为设备应用材料在设计温度下的许用应力.考虑腐蚀裕量3 mm，选取筒体壁厚为47 mm，半球形封头厚度为30 mm.

依据EEMUA190标准的要求，由于受到覆土压力和介质负压的影响，对于直径超过3.5 m的覆土子弹罐，应该在内部设置加强筋.加强筋一般选取T型筋，最大间距取决于壳体的周向屈曲应力，加强筋的尺寸取决于罐体所受载荷和加强筋的间距[5-6].从经济角度考虑，加强筋可以选取与筒体同样的材料、同样的厚度.加强筋的间距与壳体直径之比应该在1∶2到1∶1之间.按照以上要求，可以选取加强筋间距为l=D/2，即l=4 m.加强筋的初步尺寸计算公式为:

腹板高度=1.1×D/10=0.88 m.

(3)

翼板宽度=D/10=0.8 m.

(4)

3 载荷分析

依据EEMUA190标准，覆土子弹罐承受设备净重、介质重量、介质内压、介质负压、覆土压力等10种外部载荷，根据附录A的方法计算，结果如表3所列.

表3 LPG覆土子弹罐载荷计算

4 依据EEMUA190附录A应力计算

依据EEMUA190附录A和第3部分得到的载荷数据，计算可得罐体壳体和T型筋的应力，计算结果如表4所列.

表4 壳体应力计算结果

选取3组T型筋，计算其应力结果如表5所列.由表5的计算结果可知，原尺寸T型筋应力水平较低，按照EEMUA190确定的T型筋初步设计尺寸是偏保守的，按照EEMUA190附录A经过多次计算和校核，可以确定T型筋最终尺寸为腹板高度0.75 m，翼板宽度0.7 m.

表5 3组T型筋尺寸应力计算结果

5 依据ASME Ⅷ-2规范进行外压稳定性计算

依据ASME Ⅷ-2规范对罐体在外压下的稳定性进行计算，得出结构许用外压.加筋圆柱壳间距4 m时，许用外压0.77 MPa，远大于设计外压0.1 MPa.选择大尺寸的T型筋以及设计T型筋间距为D/2，主要是为了承受罐顶覆土载荷和罐底的支撑载荷.如果罐体只承受罐内真空负压0.1 MPa，只需在罐体中部设置一个T型筋就可以了.依据上述标准中的方法，计算出多个T型筋间距下的罐体许用外压值，T型筋间距与罐体许用外压的关系如图3所示.

图3 T型筋间距L与罐体许用外压Pa的关系

6 仿真分析

LPG覆土子弹罐的受力情况不同于一般的压力容器.罐体外壁受到顶部覆土的压力和底部沙床基础的支撑压力，而侧面的压力几乎为零，这就造成罐体有一个被“压扁”的趋势.LPG覆土子弹罐的T型筋尺寸远大于一般真空外压容器的T型筋尺寸.T型筋主要起到支撑罐体不被压扁的作用，局部位置有较大的弯曲应力.下面采用ANSYS有限元软件，对卧式3 000 m3LPG覆土子弹罐进行建模和加载，并对各工况进行计算分析并讨论.

6.1 建立有限元模型

LPG覆土子弹罐的壳体和加强筋是中心轴对称结构，在轴向方向受力不均匀，采用实体单元(solid186)建立三维模型(见图4(a))，壳体厚度方向至少划分两层单元.三维模型整体网格划分如图4(b)所示，筒体与加强筋连接处的局部网格划分如图4(c)所示，其中内壁和外壁均考虑1.5 mm的腐蚀裕量.

(a)有限元实体模型 (b)整体网格划分 (c)局部网格划分

6.2 载荷组合工况

对于覆土子弹罐整体结构，需要承受如表3中的多种载荷，应根据ASME Ⅷ-2 表5.3进行载荷组合工况的计算.考虑到设备实际承受载荷的情况[7]，以及设计计算工作量的优化，对载荷组合工况进行合理合并或删减.覆土子弹罐整体结构需要考虑的载荷组合工况如表6所列.

表6 覆土子弹罐整体结构计算需考虑的载荷组合工况

6.3 各载荷组合工况的有限元分析计算

沙床单元和罐体单元接触位置采用接触单元模拟[8].罐体内壁设计压力载荷采用等效压力处理.对于工况1和工况2，根据结构和载荷的对称性,可以选取罐体的1/2作为力学分析模型.工况3有侧向地震载荷，需要用完整模型进行计算.工况4和工况5是外压载荷工况，设备整体应力强度较低，主要考虑外压稳定性问题.

罐体内壁施加介质等效压力载荷(见图5).顶部覆土载荷根据EEMUA190附录A的计算公式，施加罐体外壁上的等效载荷(见图6).地震载荷施加等效惯性加速度载荷.LPG覆土子弹各工况的第四强度应力和外压屈曲模态云图如图7-图11所示.

图5 内部介质等效压力载荷

图6 施加覆土等效压力载荷

图7 工况1整体结构第四强度应力云图

图8 工况2整体结构第四强度应力云图

图9 工况3整体结构第四强度应力云图

图10 工况4整体结构失稳模态

图11 工况5整体结构失稳模态

从各工况的分析结果中可以看到，由于部分工况罐体和T型筋的局部高应力区域超过了材料的屈服强度，因此对于分析设计，可以采用应力线性化和应力分类的方法进行校核，部分位置可以按照二次应力进行评定和校核[9-10].依据ASME Ⅷ-2 5.4款规定，对各外压工况进行屈曲分析校核，可满足规范要求.

7 结论

本文基于工程设计标准EEMUA190、ASME Ⅷ-2规范标准，进行了大型卧式LPG覆土子弹罐的分析设计，并应用ANSYS软件进行应力计算分析.该设计不仅结构合理、节省材料，而且安全可靠，具体结论如下：

(1)依据ASME Ⅷ-2规范进行柱壳和球形封头外压稳定性计算,结果表明筒体所承受的覆土外压远大于介质引起的负压，决定了筒体和加强筋的尺寸.操作过程中由于罐体长度的改变，使得封头承受了很大的端部推力，端部覆土的压力载荷决定了封头的厚度；

(2)EEMUA190标准附录A中推荐的加强筋尺寸过大，可通过应力分析计算进行优化设计，节省材料；

(3)对于传统的鞍座支撑结构的卧式储罐，地震载荷对罐体应力的影响非常大，但是对于覆土子弹罐结构影响较小，说明覆土子弹罐的基础支撑结构抗震效果更好.