基于ANSYS的大型立式真空绝热容器外下封头加强结构设计

摘要：大中型立式真空低温容器外下封头与支座连接处局部受力情况复杂，该处结构强度关系设备的强度是否可靠，目前通常是参考规范并主要靠经验来确定外下封头厚度，其结果相对较保守。针对外下封头受力特点，设计了一种新型加强结构，以150m³液氩立式低温储罐为例，通过有限元分析对比和校核，表明该结构改善受力和优化结构效果明显，结构强度满足要求；该结构能节约成本，在实际使用过程中效果良好。
关键词：大型立式容器；加强结构；有限元分析 管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机

    随着低温行业生产规模不断扩大，低温容器也日益大型化。在压力容器常规设计时，只对封头承受的压力载荷(内压或外压)提出了计算方法和公式，而对封头与支座连接处的局部应力，由于目前尚无可靠计算模型，也无可行的局部应力计算方法，只是参考以往成功的实践经验，并没有进行计算和校核；在大型立式低温容器中，外下封头尺寸跨度大，承受外压的同时还要承受较大的支座反力，可能出现结构失稳和局部屈服，关乎设备的可靠和人员的安全，进行相关研究很有必要。本文以150m³液氩立式真空绝热容器为例，对容器外下封头加强结构进行了相关分析和设计。

1  结构分析及计算模型管道切割机，相贯线切割机
1.1  设计参数管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
    文中分析的是储存液氩的大型立式低温容器，有效容积150m³。采用常规计算及经验设计，外下封头厚度通常取16 mm(材料为Q345R)，其值似乎较保守。
    本文根据大型立式真空绝热容器外下封头的受力特点，设计了一种新型外下封头加强结构(如图1所示)，封头和垫板厚度为14 mm，根据GB150计算，只考虑外压载荷时封头计算厚度为9.35mm，封头刚度满足要求。改进后容器主要设计参数见表1。容器设置3个支座，垫板尺寸800 mm x 800 mmx 14 mm；材料选用Q345R，材料性能参数见表2。
    加强结构方案如下：在每个支座对称面和外下封头内表面相交线设置高150mm、厚16mm的加强筋；封头中心设置直径1000mm、高150 mm，厚16mm的加强圈。加强筋、加强圈，封头之问均相互焊接形成整体，有效提高整体结构强度。

1.2  模型简化
    在不影响计算结果的准确性和可靠性的前提下,根据分析和计算需要，对实体建模和计算模型作如下简化：
    (1)封头局部受力关于轴线中心对称，取1/3横型进行分析；
    (2)模型中不计支座底板；
    (3)忽略焊缝的影响；
    (4)忽略远离应力集中区的外下封头开孔接管、垫板中心开孔影响；
    (5)不计垫板与封头问微小位移，模型作整体处理；
    (6)不考虑风载荷和地震载荷的作用。

1.3  网格划分
    分析采用三维20节点结构实体单元Solid95，该实体单元具有较高的精度，可以适应不规则形状而精度损失较少。考虑节省计算机内存资源．同时又不降低计算精度和可靠性．对应力集中区域网格进行了细化，这些区域也是分析重点考察的区域。为对比加强前后结构应力分布情况，取加强前后两种模型分别计算。两种模型封头厚度均为13mm(不包括腐蚀余量1mm)，划分网格时除加强结构外其他完全一致。厚度方向均划分4层．未加强时共划分81088个单元，379533个节点；加强后共划分99884个单元．468962个节点。结构有限元分析模型如图2，3所示。

1.4  载荷及约束管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
    以容器满载时工况为设计工况。主要条件如下：外容器工作温度为室温，不考虑温度影响；外下封头工作压力为P1=-0.1MPa；同时受到支座的反作用力，设备质量62 t，介质质量211.5 t。加强结构质量约104 kg，可忽略不计．两种模型支座的反力F=(211500+52000)×9.8 / 3=893433.3N，筋板截面积S=2.98×10^4mm?，筋板截面上的压力P2=F/S=30MPa。
    封头直边段上表而轴向约束，外容器封头的两个侧面为对称约束。两种结构力学模型相同，如图4所示。

  

2  有限元结果殛分析管道切割机，相贯线切割机
    对两种模型分别加载、求解。结果如图5．6所示。未加强时结构最大变形为2.727 mm．而采用加强结构后晟大变形为2.318 mm；两种结构总应力强度最大值均出现在支座筋板与垫板连接的左下角，未加强时，最大应力值达到656 MPa。而采用加强结构后，最大应力值为605 MPa。

    对比较强前后结构厚度方向应力分布情况。取最大应力值点分别沿支座筋板厚度方向和垫板、封头厚度方向的应力值分布曲线进行对比。加强前后应力值分布曲线见图7和图8。
    由图5和图6中变形情况的对比可以看出：采用加强结构后，结构最大变形量降低0.409mm，有效降低封头因局部变形过大而引起失效的可能性。而从图5~8的对比可以看出：采用加强结构后，结构最大应力值降低了51MPa；应力值沿厚度方向均有不同程度降低。局部应力集中区域的结构受力明显改善，避免应力过大造成局部屈服失效。

3  强度评定管道切割机，相贯线切割机
    应力强度的评定方法通常有点处理法和线处理法。本文采用线处理法，即将结构各计算部位应力，按选择的危险截面的各应力分量沿一条应力处理线首先进行均匀化和当量线性化处理，然后进行应力分类评价。均匀化处理后的平均应力，其值属薄膜应力：当量线性化处理后．线性部分应力属弯曲应力，剩余的非线性部分即为峰值应力。
    本文中支座反力和外压并非周期性载荷，故产生破坏影响的只是一次应力和二次应力，对峰值应力的影响可不予考虑。按照JB4732—95《钢制压力容器——分析设计标准》规定，只需满足两项应力限制条件：
    (1)一次局部薄膜应力强度SⅡ≤1.5Sm；
    (2)一次应力加二次应力的组合应力强度SⅣ≤3 Sm。
    为验证采用加强结构的封头与支座结构是否满足强度要求，本文只对采用加强结构模型进行强度评定。由前述有限元分析结果可知，支座筋板与垫板连接的下端两角、加强筋与封头连接的上端存在明显的应力集中。过各处应力强度最大点分别沿筋板厚度方向。垫板和封头厚度方向、加强筋厚度方向、封头厚度方向分别作应力处理线。由于这些部位结构不连续，故其弯曲应力实属二次应力性质。将各路径的薄膜应力、薄膜应力+弯曲应力和相应的强度限制条件列于表3。由表3可知，各路径的强度均能满足安全要求。  

4  结束语管道切割机，相贯线切割机
    基于以上对150m³液氩立式储罐计算和分析可以看出：管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
    (1)150m³液氩立式储罐采用文中介绍的加强结构，封头和垫板壁厚为14mm时能满足结构强度要求，且该结构加工工艺简单。相比较经验设计，该加强结构能节省材料的用量，降低设备成本。
    (2)该加强结构能有效改善中型、大型低温立式容器外下封头结构失稳或局部屈服的情况，无论在减小结构变形量、降低封头局部应力，还是在改善局部应力分布方面，均有显著效果。对其他化工设备及机械结构设计也具有一定的参考价值。
    目前，在50m³、75m³、100m³、150m³等低温立式储罐结构设计中，外下封头均采用了文中介绍的加强结构；该结构已成功应用于100m³液氩立式储罐、150m³LNG立式储罐，设备使用情况良好。

本文作者：范虹   王明富    张杰(北京航天发射技术研究所)

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