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1、摘要液化气球形储罐作为一种重要压力容器，在工业生产中有着非常广泛的应用， 其分析设计和使用安全问题越来越引起国内外有关专家和工程技术人员的关注。球罐结构的应力分析多采用有限元法，由于其结构和地震等载荷条件的复杂 性，带来工作量庞大、设计周期长等问题。如何处理好计算模型的有限元网格和 载荷边界条件、提高分析设计的效率是值得研究的课题。本文首先综述了钢制球罐结构设计特点、应力分析和强度评定标准。然后针对 钢制球罐，采用有限元ANSYS分析软件，分别进行了风载荷、地震载荷作用下的 瞬态动力学分析，以及雪载荷作用下静力学分析。最后介绍应力分类及强度评定 标准。关键词：球罐；有限元法；瞬态动力学；风载荷
2、；地震载荷；雪载荷AbstractThe steel spherical tank has wide applications in petrol and chemical industry as important pressure vessels storing oil and gas. Its design analysis and safety assessment has attracted more and more attention of some experts and engineers.The FEM (finite element method) is popularl
3、y used in stress analysis of spherical tank. Due to the complexity of the structure and loads, e.g. the earthquake and wind load, how to deal with the finite element meshing of the model and the load boundary condition to increase the efficiency of design by analysis remains a valuable research subj
4、ect.In this article, the structure design, stress analysis and strength evaluation criteria of the steel spherical tank were summarized at the beginning. Then we can use the software ANSYS of finite element analysis to working wind loads, earthquake loads under the transient dynamics analysis, and t
5、he snow loads under analytical. Finally, the kinds of stress and the evaluation criteria of strength have been introducted.Key words:spherical tank; finite element method; transient dynamics; wind load; earthquake load; snow load目录第 1 章 概 述 11.1 引言 11.2 液化石油气球形储罐的简介 21.3 球形储罐抗震设计研究现状 61.4 本文研究工作的目的和
6、意义 71.5 本文的主要工作 8第 2 章 ANSYS 在球罐应力分析中的应用 92.1 有限元分析基本思路 92.2 ANSYS 软件112.3 时程分析法 112.4应力数据处理方法 12第 3 章 液化气球形储罐有限元计算模型的建立 153.1 问题描述 153.2 建模构想 153.3 单元类型的选择及网格划分 163.4 网格质量评判标准 17第 4 章 液化气球形储罐有限元分析 204.1 风载荷下瞬态动力学分析 204.2 地震载荷下瞬态动力学分析 244.3 雪载荷下静力学分析 27第 5 章 液化石油气球形储罐的强度评定 295.1 应力分类及应力评定 295.2 强度评定
7、 30结 论 31参考文献 32致 谢 321.1 引言随着科学技术的进步和工业的飞速发展，储存也逐渐成为工业生产工艺流程 中不可缺少的部分。生产中为便于原料、产品或中间产品的运输、储存收集、添 加等需使用各种储存容器，如液化石油气的运输、储存必须用槽罐（车）、储液罐等 用于生产中的各种加料罐、接收罐、中间储罐、成品接收罐等都是储存容器。压 力容器作为一种重要的存储设备，在石油、化工、轻工等工业生产中得到了越来 越广泛的应用和重视，特别是大型压力容器设备的分析设计和使用安全问题越来 越突出，因此越来越引起国内外有关专家和工程技术人员的关注。钢制球形储罐（以下简称钢制球罐）是一种高效的适于储存的
8、大型压力容器设 备，储存介质涵盖了液化气体、氧气、氮气、天然气及城市煤气等，容量大，常 常要工作在高压、高真空、腐蚀和低循环疲劳载荷等环境中，安全要求性高，制 造工艺也比较复杂，受结构、自重和试验周期、经费的限制，现场及实验室的试 验难以完成强度设计和状态监控等要求，需要通过计算机模拟等手段来有效解决 试验中存在的问题，从而缩减研制经费和周期。由于球罐多用于储存易燃、易爆、有毒介质，因而使用中的安全性非常重要 我国球罐的建造起步晚，虽然发展较快，但目前同国际先进水平相比还有不小差 距，主要表现在设计、制造、组焊、材料性能等方面。就球罐的设计而言，我国 的球罐设计大多数都是采用常规设计方法，其载
9、荷只考虑单一的最大载荷工况， 按一次施加的静力载荷处理，不考虑由于地震、风力、压力波动等引起的交变载 荷。由于没有对结构进行详细的应力分析，因而考虑材料的许用应力时，安全系 数也取得较大，材料浪费较多。目前国内球罐应力分析多采用有限单元法，其基 本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单 元的组合体。划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较 多，需要的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影 响。1.2 液化石油气球形储罐的简介球罐最早出现在 19世纪末 20 世纪初，早期的球罐为铆接结构。第二次世界 大战以后，随着焊接技术的发
10、展，球罐制造由铆接改为焊接，世界各工业国家先 后着手建造、使用焊接球罐。美国于 1941 年、前苏联于 1944年、日本于 1955 年、 前联邦德国于 1958 年分别建造了一些压力较高、容量较大的球罐。我国球罐制造 始于20世纪50年代末60年代初，当时建造的球罐容积大多在1000m 3以下。1980 年以来，我国通过引进特种大型球罐，并大量吸收了国外先进的技术，球罐设计、 制造、组装、焊接与检验技术水平得到迅速提高。1.2.1 球形储罐的结构设计(1) 球壳形式。钢制球罐是由许多块预先按一定的尺寸压制成形的球面板拼焊 而成，直径较大。由于球壳是中心对称的结构，应力分布均匀，球壳体应力是相
11、 同直径圆筒形壳体应力的一半，压力载荷相同的情况下所需板材厚度最小，相同 容积的结构表面积最小，与同压力载荷、同容积的圆筒形容器相比，可节约材料 30%-40%。球罐按其分割和球壳板的组合方式不同，可分为桔瓣式球罐、足球瓣 式球罐，现在多采用集两者之长的混合瓣式球罐，即赤道带、温带采用桔瓣式分 瓣结构，极带采用足球瓣式分瓣结构。球罐多采用现场组焊，即在制造厂内分瓣 制造并运抵施工现场，球壳的组装、焊接及无损检测等均在现场完成。(2) 人孔与接管。我国针对球罐专门制定的设计、建造标准GB12337-1998钢 制球形储罐规定，球罐一般应在上、下极板各设置一个人孔，便于建造、使用 及检验时人员、机
12、具的出入。对于必须进行焊后整体热处理的球罐，则上、下人 孔应设在球罐的垂直中心线上。目前，大型球罐人孔多采用整体锻件凸缘结构进 行补强，使开孔部位应力分布更趋合理。根据储存物料情况和工艺要求，球罐一 般设置物料进出口、仪表接口以及排污口等。接管是球罐的应力集中部位，也是 检验的薄弱环节。为了提高接管的安全性，目前大型球罐多采用锻件厚壁管或整 体锻件凸缘结构。为了便于工艺操作与控制，接管的位置应尽量集中在上下极板。(3)球罐支撑。球罐支撑结构有多种型式，最常用的是赤道正切式。球罐支撑 结构主要有支柱、拉杆、支柱底板和地脚螺栓等组成。对于大型球罐，支柱一般 分为两段或多段，这样一方面方便运输，另一
13、方面可使支柱上段材质与球壳板相 同，而下段采用普通结构钢，避免支柱与球壳板连接成为异种钢焊缝。支柱、拉 杆设计不仅应考虑球罐在操作和水压试验等工况条件下的压力、设备自重和储存 介质重量等载荷，而且应顾及当地的地质情况以及风载荷、地震等载荷。1.2.2 球形储罐的结构及各部分名称 钢制球罐一般由球壳、上下人孔、进出气孔、支柱、托板、拉杆等部分组成 其结构示意如图 1 所示。图 1-1 球罐结构简图1.2.3 球形储罐的材料 用于制造压力容器的材料较多。大多数压力容器是碳钢、低合金钢、不锈钢制 成的，此外还有用铸铁、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金制成的。目前， 国 内 生 产 的 球 壳 板
14、用 钢 主 要 有 16MnR, 15MnNbR, 07MnCrMoVR 和 07MnNiCrMoVDR 等，07MnCrMoVR (07MnNiCrMoVDR)也称之为国产 CF-62 钢, 是一种标准抗拉强度在6.1 108Pa以上的压力容器用钢，自上世纪80年代研制成 功以来，在压力容器制造方面，尤其是在钢制球罐制造方面得到了广泛的应用。 国内在开发 07MnCrMoVR 的同时，完成了配套锻件 08MnNiCrMoVD 和配套焊条 的开发，为国产 CF-62 钢在压力容器及其它工程结构中的应用打下了良好的基础。 近年来，随着国产质量技术指标的逐步提高，即使主体材料选用进口 CF-62钢
15、板, 配套锻件也可采用国产08MnNiCrMoVD锻件。1.2.4 研究现状由于许多国家都发生过球罐脆性开裂事故，其后果非常严重，甚至是灾难性的。 国外已采用先进的分析设计方法设计球罐和对在役中的球罐进行强度分析。目前 压力容器及其部件的设计可分为基于弹性失效准则的“规则设计”(Design by Rule) 和基于塑性失效准则的“分析设计”(Design by Analysis)。其中分析设计法是工程与 力学紧密结合的产物，不仅能解决压力容器常规设计所不能解决的问题，而且代 表了近代设计的先进水平。分析设计的理论基础是板壳力学、弹性和塑性理论以及结构的有限单元法。 美国 ASME 锅炉及受压
16、容器规范是以应力分析设计为基础的历史最早的压力容器 规范，我国分析设计规范是在美国ASME锅炉及受压容器规范第八卷第2分篇的 基础上建立起来的，并于1998年在全国开始实施，也就是JB4732-1998钢制压 力容器一分析设计标准，该标准是以分析设计为基础的钢制压力容器标准，提供 了以弹性应力分析和塑性失效准则、弹塑性失效准则为基础的设计方法，对选材、 制造和验收规定了比 GB150-2000 钢制压力容器更为严格的要求，若与 GB150-2000钢制压力容器同时实施，在满足各自要求的条件下，可选择其中 之一使用。该标准适用于设计压力大于等于0.1 106Pa且小于100106Pa的容器， 以及真空度高于或等于0.02 106Pa的容器，适用的设计温度是低于以钢材蠕变
