新浪博客

[转载]超大型储罐大角焊缝应力分析

2014-06-22 19:01阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1806769880

原文地址：超大型储罐大角焊缝应力分析
原文作者：智造

　　一、引言
　　油品和各种液体化学品的储存设备——储罐，是石油化工装置和储运系统设施的重要组成部分。容量较大的储罐一般为立式圆筒形储罐，当其容积达到10万立方米以上时，习惯上称为超大型储罐。目前我国建造的超大型储罐，一般都选用地面外浮顶式结构。如10万立方米储罐的直径为80米，而15万立方米储罐的直径达100米。应力分析表明，超大型储罐的大角焊缝区域是储罐最危险的区域之一，国内外的大型储罐由于大角焊缝处发生脆裂的事故偶有发生。究其原因，主要是由于大角焊缝处应力值高，且材料为低合金高强度钢板，内部缺陷易于扩展，造成脆性断裂破坏或低周疲劳破坏。因此，详细了解大角焊缝处的应力分布，如何有效降低大角焊缝处的应力水平就变得十分重要。
　　影响大角焊缝处应力水平的因素很多，如第一圈壁板厚度、边缘板厚度、基础弹性以及沉降量等。本文将通过数值模拟分析大角焊缝处应力分布情况，并研究壁板内坡口尺寸对大角焊缝处应力分布的影响规律。
　　二、大角焊缝应力分析
　　1.大型储罐结构简介
某台
15万立方米原油储罐内径为96000mm，罐壁总高为22800mm，共8圈壁板。壁板材料分别为SPV490Q、Q345R及Q235B。罐底边缘板厚度为23mm，罐体外壁设置了2个抗风圈和2个加强圈，材料为Q235B。大角焊缝区域的结构尺寸如图1所示。
[转载]超大型储罐大角焊缝应力分析
　　2.有限元模型
　　超大型储罐几何结构、载荷及约束具有轴对称性，因此，本文分析采用轴对称模型建模，取纵向剖面一半进行分析;使用通用商业有限元分析软件ANSYS进行分析，模型选用Plane183单元进行网格划分。
　　罐壁与罐底连接处、两焊缝中间部位为未焊接部位，罐壁与罐底是相互独立的两个部分，为进行载荷的传递，在他们之间创建接触单元。在地基模型的处理上，同样采用接触单元处理罐底与地基的关系。对于罐壁与罐底接触模型，罐底板上表面为接触面，罐壁下表面为目标面;对于罐底与地基接触模型，罐底下表面为目标面，地基上表面为接触面。目标面采用二维目标单元TARGE169，接触面采用二维接触单元CONTA172，这样更加真实地反映了罐壁与罐底板以及罐底与地基之间的关系。
地基的夯土层与混凝土环梁弹性模量较小，而且厚度较大，忽略土壤层对储罐的变形量及应力水平的影响。故模型中将土壤层忽略，夯土层与混凝土环梁全部建模出来。同时夯土层与混凝土环梁处于受压状态，两者紧密连接，不会分离，因此模型中将两者视为一体。模型如图2所示。
[转载]超大型储罐大角焊缝应力分析
[转载]超大型储罐大角焊缝应力分析
　　3.载荷情况
　　在大角焊缝强度分析中，地震载荷和风载荷不是轴对称的，因此无法施加，只可考虑罐内壁和底板的液压载荷和罐体自重载荷。对于工作条件下的强度分析，液压采用储液压力;而对于水压试验条件下的强度分析，液压采用水压试验压力。液压分布如图3所示。
[转载]超大型储罐大角焊缝应力分析
　　4.约束条件
　　强度分析中，假定夯土下表面位移为零。设备放置于地面，与地面之间无任何固定措施。两者之间的摩擦力不会使两者产生相对运动。因此在有限元建模过程中在地基底端添加全约束，并在罐底与地基之间添加接触单元。另外在大角焊缝处，罐壁通过焊缝与罐底连接，焊缝未完全焊透。因此有限元建模过程中在罐壁与罐底连接处(两焊缝中间部位)添加接触单元。有限元模型的约束如图4所示。
　　5.分析结果
　　由于基础弹性相对于钢板较小，在罐底液压作用下基础沉降量较大，罐底板会产生向下的位移，同时罐壁在液压作用下产生径向变形，因此罐底大角焊缝处会产生较大的弯矩，大角焊缝临近的壁板和底板都会产生明显的弯曲应力特征。罐壁在静液压作用下的径向位移受到罐底连接处的约束，因而在罐壁下端的局部范围内将产生纵向弯曲应力;罐底板在静液压作用下的向下轴向位移受到罐壁连接处的约束，因而在罐底在大角焊缝的局部范围内将产生径向弯曲应力。计算结果应力分布如图5所示，变形趋势如图6所示，可见其应力分布规律与前述理论分析吻合较好。
[转载]超大型储罐大角焊缝应力分析
[转载]超大型储罐大角焊缝应力分析
　　三、壁板内坡口对大角焊缝应力水平的影响
由于大角焊缝处应力值较高，内部缺陷易于扩展，对于设计人员来说大角焊缝的设计十分重要。壁板内坡口尺寸的确定对于保证应力分布安全和焊接施工都有很重要的意义。因此本文研究壁板内坡口尺寸对大角焊缝处应力分布的影响规律。在有限元分析中，选取不开内坡口，随着坡口尺寸逐渐增大，研究其应力分布规律，建立的有限元模型如图7所示。
[转载]超大型储罐大角焊缝应力分析
通过数值分析，得到应力结果如表所示。
[转载]超大型储罐大角焊缝应力分析
　　从表中可以看出，最大应力强度值随着内坡口尺寸的
　　增大而降低，但降低比率较低，影响较小;壁板根部路径1的薄膜应力随内坡口尺寸的增大而降低，降低幅度比较可观，尺寸为5mm时比不开坡口降低了约20%;底板路径2的薄膜应力随内坡口尺寸的增大而增大，但增大幅度不足3%，基本可以忽略。因此，坡口尺寸变大对控制应力水平比较有利，设计中需要同时保证焊接施工的工艺性和经济性。综合考虑，此超大型储罐大角焊缝处的壁板内坡口尺寸设计值为5mm。
　　四、结语
　　本文通过数值模拟分析了大角焊缝处应力分布情况，并研究了壁板内坡口尺寸对大角焊缝处应力分布的影响，得出如下结论。
　　(1)本文采用接触单元法模拟罐体与地基的接触状态，能够更加真实地反映罐体在地基上的变形，增加了计算精度。
　　(2)通过有限元模型的计算发现，大角焊缝临近的壁板和底板都会产生明显的弯曲应力特征，罐壁下端的局部范围内产生纵向弯曲应力，罐底板在大角焊缝的局部范围内产生径向弯曲应力。
　　(3)壁板内坡口尺寸对最大应力强度和底板的薄膜应力影响较小，对壁板根部的薄膜应力影响较大。壁板根部的薄膜应力随内坡口尺寸的增大而降低，降低幅度比较可观，尺寸为5mm时比不开坡口降低了约20%。

我的更多文章

下载客户端阅读体验更佳

APP专享