球形储罐的应力分析

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1、球形储罐的应力分析李群生【摘要】As the size of spherical tanks becomes increasingly larger, the steel material requirement anc the dimensions of tank pedal plates have become increasingly bigger, which results in a number of difficulties in petal plate forming, transportation, side lifting installation and welding,

2、 etc. It is necessary to design the spherical tanks based upon analysis design methods under the conditions of higher requirements in intrinsic safety of spherical tanks construction and load. The integral stress calculations have been made for 4 loads ol different load combination tanks and 2 struc

3、tures. The force exerting on the spherical tanks at different loads are studied and stresses at the connections between supports and tanks are analyzed. It is concluded that, all stresses should be calculated based upon all possible loads combination, the central model and bestraddle model should be

4、 established for load calculation, the maximum stress should be at the connection between support and tank smooth transition should adopted and hexahedral element analysis should be applied for finite element analysis.%随着球形储罐的建造规格向大型化发展,其材料用量和球壳板尺寸规格 也越来越大，由此增加了球壳板在压制、运输、现场吊装及焊接等一系列建造难度. 因此，大型球罐在结构、

5、载荷等方面的本质安全要求更高的情况下，需要按照分析设 计方法进行球罐的设计.通过全面的分析总结,对涵盖所有载荷组合形式的球罐4种 载荷工况和2种结构模型进行整体应力计算，分析了各种载荷工况下球罐的受力状 况，重点分析了支柱与球罐连接部位的应力情况.结论是:应力计算要考虑所有可能的 载荷组合工况；计算载荷时要分别建立对中模型”和跨中模型”；最大应力是 在支柱与球罐连接处，要尽可能圆滑过渡，有限元应采用六面体单元分析.【期刊名称】炼油技术与工程 【年(卷)，期】2012(042)006 【总页数】4页(P61-64) 【关键词】球形储罐;应力分析;载荷工况 【作者】李群生【作者单位】中国石化集团洛

6、阳石油化工工程公司，河南省洛阳市471003【正文语种】中文 球形储罐(球罐)大多按照常规方法进行设计建造，随着球罐的建造规格向大型化发 展，其材料用量和球壳板尺寸规格也越来越大，由此增加了球壳板在压制、运输、 现场吊装及焊接等一系列建造难度。因此，大型球罐在结构、载荷等方面的本质安 全要求更高的情况下，合理有效的进行设计是必要的。本文依托中国石化集团洛阳石油化工工程公司承包的湛江东兴石油企业有限公司炼 油配套完善工程新建液化石油气灌区，该灌区共有4台3 000 m3LPG和两台1 000 m3丙烯球罐，为降低投资费用，6台球罐按分析方法进行设计，通过有限元 分析和结构优化比对分析，在保证设备

7、本质安全的前提下，尽可能较大幅度降低建 造费用。通过全面的分析总结，对涵盖所有载荷组合形式的球罐4种载荷工况和2种结构 模型进行整体应力计算，分析了各种载荷工况下球罐的受力状况，重点分析了支柱 与球罐连接部位的应力情况，以确保大型球罐承载安全。分析方法采用位移模式有限元法，其基本方程如下：KV=P式中:K为结构的总体刚度矩阵;V为结构的节点位移矢量;P为结构的节点等效载荷。 按上述数学模型对所分析对象计算完成后，将分析断面的节点计算结果进行最小二 乘法曲线拟合，并按静力等效原则进行线性化处理，将处理结果进行应力分类，然 后进行应力评价。2.1载荷分析球罐由于其结构承载的特殊性，在考虑其载荷作用

8、时，不仅要考虑内压等面力的作 用，而且还应考虑重力(包括球罐自重和介质重)等体力的影响，完整的球罐分析应 考虑以下载荷：(1) 压力，当液柱静压力超过设计压力的5%时还应计及液柱静压力；(2) 重力，包括球罐自重和介质重;地震力;风载;(5)雪载。2.2模型构建在构建球罐整体模型时，球罐上各开口接管对整体来说影响较小，并且重点是考察 支柱与壳体相接部位的应力状况，因此可将球罐上各种开口接管忽略。根据球罐的 结构特点，分为对中和跨中两种结构模型构建。2.3边界条件的施加2.3.1压力载荷的施加压力载荷包括设计压力和液柱静压力，设计压力为均匀的面载荷，液柱静压力为在 铅垂方向具有一定梯度的压力载荷

9、。2.3.2重力载荷的施加重力载荷包括球罐自重和介质重，重力是一种与密度有关的体力，由于只建立了球 罐本体的模型，因此在计算时须将介质重当量到球壳上，当量密度计算公式如下： 式中:d为当量密度，kg/m3;d1为球壳本体密度，kg/m3;d2为罐内介质密度，kg/m3;a为球罐介质充装系数，无量纲;DO为球罐外直径，m;DI为球罐内直径， m。2.3.3风雪载荷的施加风载荷对于球罐的作用随着位置的不同而改变，沿水平及铅垂方向都是变化的，如 图1所示。雪载荷施加于球罐本体的上半部。2.3.4地震力的施加地震力是一种惯性力，施加地震力是通过施加水平加速度和垂直加速度实现的，由 于垂直地震力产生的应

10、力水平较低，因此不考虑垂直地震力的影响。等效的加速度 a(m/s2)计算公式如下：a = F/m式中:F为球罐整体承受的地震力;m为操作时的总质量。2.3.5位移边界条件的施加依据球罐的整体结构特性及承载特性，位移边界条件施加要求如下：(1) 在整体结构的1/2球罐的对称面上施加对称边界条件；(2) 支柱下端 Ux=0，Uy=0，Uz=0。2.3.6载荷组合工况球罐的载荷组合工况如表1所示，主要考虑球罐的整体结构分析。以湛江东兴1 000 m3丙烯球罐为例，描述应力分析和结果评定的过程。本球罐的 设计基本参数见表2。3.1分析计算球罐的分析计算数据见表3。3.2球罐的材料性能球罐的材料性能数据

11、见表4。3.3评价位置整体球罐分析时的评价位置见图2。3.4应力分析根据湛江东兴1 000 m3丙烯球罐的设计基本参数，按照第2部分载荷分析及 模型构建”的步骤和要求，进行工况一、工况二、工况三、压力试验共4种载荷 工况和对中模型”及跨中模型”两种结构模型的整体计算分析。本文仅图示个 别工况的分析过程和结果。工况一的载荷和位移约束边界条件分布示意见图3;载荷工况三作用下应力强度分布结果(对中模型)见图4;3.5分析结果仅以载荷工况三在对中模型和跨中模型下的计算结果，按照图2的评价位置进行 各类应力强度的评价，见表5(该工况下的载荷组合系数k=1.2)。通过对球罐的4种载荷工况和两种结构模型的整

12、体应力计算结果分析比较，归纳 以下几点：(1) 按照分析设计方法设计球罐时，应力计算要考虑所有可能的载荷组合工况。(2) 在计算地震载荷、风和雪载荷时，需要分别构建对中模型”及跨中模型” 两种结构模型，其计算结果在支柱与球罐相接部位处差别较大。(3) 按照有限元分析计算与按照GB 12337常规计算，最大应力的部位相同，都是 在支柱与球罐连接处，即所谓的“a点应力”部位，但应力数值差别很大，有限元 分析计算结果比常规计算的值大很多，两者的评判标准不同。(4) 支柱与球罐连接部位处为结构急剧不连续，在设计该部位时要尽可能圆滑过渡， 另夕卜该部位的刚性不能过大。(5) 在有限元分析计算时，支柱与球罐连接部位处的有限元应采用六面体单元，不 能用四面体单元，否则计算结果的奇异性较大。