大型臥式LPG覆土子彈罐應力分析設計方法

陸青松，郭春光

(1.安徽城市管理職業學院 軌道交通學院，安徽 合肥 231600；2.合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230031)

覆土子彈罐(Mounded Bullet)作為一種液化石油氣(LPG)的常溫存儲設備，廣泛應用于歐盟及美洲等地區，亞洲、非洲地區也在逐步推廣.覆土式儲罐可有效防止常溫壓力存儲液化烴時的沸騰液體擴散蒸汽爆炸,且不受臨近熱源、爆炸沖擊波、飛濺物沖擊或其他突發情況損害，具有美化環境、減少占地面積、縮小與周邊臨近設施安全距離等優點.近年來隨著綜合國力和科技水平的提高，特別是國家“一帶一路”戰略實施以來，中國在國際上承接的大型石化工程項目日益增多，這些項目一般要求按照國際標準進行設計建造[1]，本文中覆土子彈罐即為國際工程項目設備，具體結構如圖1所示.本次應力分析設計方法主要為依據EEMUA190標準[2]和ASME Ⅷ-2規范[3]，并應用ANSYS有限元軟件對3 000 m3LPG覆土子彈罐進行了仿真分析[4]，可以為國內外大型臥式覆土子彈罐的應力分析設計提供參考.

(a)

1 主要參數

1.1 設計參數

表1 LPG覆土子彈罐主要設計參數

1.2 材料基本參數

表2 材料基本參數

2 主體尺寸設計

按照EEMUA190標準要求，覆土子彈罐直徑不應超過8 m，容積不應超過3 500 m3.罐體長度與罐體直徑之比不應超過8，否則決定罐體厚度的載荷將不是介質內壓或者覆土外壓，而是彎曲應力和摩擦力，這樣的設計是不經濟的.

根據以上要求可以選取罐體內直徑D=8 m，筒體段長度L=55 m，罐體總長度63 m.封頭采用半球形封頭，計算可知罐體的公稱容積為3 033 m3，具體的覆土子彈罐主體尺寸結構如圖2所示.

圖2 LPG覆土子彈罐主體尺寸簡圖

根據罐體內壓，按照ASME Ⅷ-2規范初步確定殼體壁厚.另外，依據EEMUA190標準的要求，圓柱殼體的厚度與直徑之比不應小于1/400.外徑與內徑之比不應大于1.3.如果采用半球形封頭，封頭厚度不應小于12 mm，且封頭厚度與容器直徑之比應該在0.002至0.16之間,計算筒體壁厚如下：

(1)

封頭厚度計算如下：

(2)

其中:P為計算壓力，包括了設計內壓和介質靜壓力，SE為設備應用材料在設計溫度下的許用應力.考慮腐蝕裕量3 mm，選取筒體壁厚為47 mm，半球形封頭厚度為30 mm.

依據EEMUA190標準的要求，由于受到覆土壓力和介質負壓的影響，對于直徑超過3.5 m的覆土子彈罐，應該在內部設置加強筋.加強筋一般選取T型筋，最大間距取決于殼體的周向屈曲應力，加強筋的尺寸取決于罐體所受載荷和加強筋的間距[5-6].從經濟角度考慮，加強筋可以選取與筒體同樣的材料、同樣的厚度.加強筋的間距與殼體直徑之比應該在1∶2到1∶1之間.按照以上要求，可以選取加強筋間距為l=D/2，即l=4 m.加強筋的初步尺寸計算公式為:

腹板高度=1.1×D/10=0.88 m.

(3)

翼板寬度=D/10=0.8 m.

(4)

3 載荷分析

依據EEMUA190標準，覆土子彈罐承受設備凈重、介質重量、介質內壓、介質負壓、覆土壓力等10種外部載荷，根據附錄A的方法計算，結果如表3所列.

表3 LPG覆土子彈罐載荷計算

4 依據EEMUA190附錄A應力計算

依據EEMUA190附錄A和第3部分得到的載荷數據，計算可得罐體殼體和T型筋的應力，計算結果如表4所列.

表4 殼體應力計算結果

選取3組T型筋，計算其應力結果如表5所列.由表5的計算結果可知，原尺寸T型筋應力水平較低，按照EEMUA190確定的T型筋初步設計尺寸是偏保守的，按照EEMUA190附錄A經過多次計算和校核，可以確定T型筋最終尺寸為腹板高度0.75 m，翼板寬度0.7 m.

表5 3組T型筋尺寸應力計算結果

5 依據ASME Ⅷ-2規范進行外壓穩定性計算

依據ASME Ⅷ-2規范對罐體在外壓下的穩定性進行計算，得出結構許用外壓.加筋圓柱殼間距4 m時，許用外壓0.77 MPa，遠大于設計外壓0.1 MPa.選擇大尺寸的T型筋以及設計T型筋間距為D/2，主要是為了承受罐頂覆土載荷和罐底的支撐載荷.如果罐體只承受罐內真空負壓0.1 MPa，只需在罐體中部設置一個T型筋就可以了.依據上述標準中的方法，計算出多個T型筋間距下的罐體許用外壓值，T型筋間距與罐體許用外壓的關系如圖3所示.

圖3 T型筋間距L與罐體許用外壓Pa的關系

6 仿真分析

LPG覆土子彈罐的受力情況不同于一般的壓力容器.罐體外壁受到頂部覆土的壓力和底部沙床基礎的支撐壓力，而側面的壓力幾乎為零，這就造成罐體有一個被“壓扁”的趨勢.LPG覆土子彈罐的T型筋尺寸遠大于一般真空外壓容器的T型筋尺寸.T型筋主要起到支撐罐體不被壓扁的作用，局部位置有較大的彎曲應力.下面采用ANSYS有限元軟件，對臥式3 000 m3LPG覆土子彈罐進行建模和加載，并對各工況進行計算分析并討論.

6.1 建立有限元模型

LPG覆土子彈罐的殼體和加強筋是中心軸對稱結構，在軸向方向受力不均勻，采用實體單元(solid186)建立三維模型(見圖4(a))，殼體厚度方向至少劃分兩層單元.三維模型整體網格劃分如圖4(b)所示，筒體與加強筋連接處的局部網格劃分如圖4(c)所示，其中內壁和外壁均考慮1.5 mm的腐蝕裕量.

(a)有限元實體模型 (b)整體網格劃分 (c)局部網格劃分

6.2 載荷組合工況

對于覆土子彈罐整體結構，需要承受如表3中的多種載荷，應根據ASME Ⅷ-2 表5.3進行載荷組合工況的計算.考慮到設備實際承受載荷的情況[7]，以及設計計算工作量的優化，對載荷組合工況進行合理合并或刪減.覆土子彈罐整體結構需要考慮的載荷組合工況如表6所列.

表6 覆土子彈罐整體結構計算需考慮的載荷組合工況

6.3 各載荷組合工況的有限元分析計算

沙床單元和罐體單元接觸位置采用接觸單元模擬[8].罐體內壁設計壓力載荷采用等效壓力處理.對于工況1和工況2，根據結構和載荷的對稱性,可以選取罐體的1/2作為力學分析模型.工況3有側向地震載荷，需要用完整模型進行計算.工況4和工況5是外壓載荷工況，設備整體應力強度較低，主要考慮外壓穩定性問題.

罐體內壁施加介質等效壓力載荷(見圖5).頂部覆土載荷根據EEMUA190附錄A的計算公式，施加罐體外壁上的等效載荷(見圖6).地震載荷施加等效慣性加速度載荷.LPG覆土子彈各工況的第四強度應力和外壓屈曲模態云圖如圖7-圖11所示.

圖5 內部介質等效壓力載荷

圖6 施加覆土等效壓力載荷

圖7 工況1整體結構第四強度應力云圖

圖8 工況2整體結構第四強度應力云圖

圖9 工況3整體結構第四強度應力云圖

圖10 工況4整體結構失穩模態

圖11 工況5整體結構失穩模態

從各工況的分析結果中可以看到，由于部分工況罐體和T型筋的局部高應力區域超過了材料的屈服強度，因此對于分析設計，可以采用應力線性化和應力分類的方法進行校核，部分位置可以按照二次應力進行評定和校核[9-10].依據ASME Ⅷ-2 5.4款規定，對各外壓工況進行屈曲分析校核，可滿足規范要求.

7 結論

本文基于工程設計標準EEMUA190、ASME Ⅷ-2規范標準，進行了大型臥式LPG覆土子彈罐的分析設計，并應用ANSYS軟件進行應力計算分析.該設計不僅結構合理、節省材料，而且安全可靠，具體結論如下：

(1)依據ASME Ⅷ-2規范進行柱殼和球形封頭外壓穩定性計算,結果表明筒體所承受的覆土外壓遠大于介質引起的負壓，決定了筒體和加強筋的尺寸.操作過程中由于罐體長度的改變，使得封頭承受了很大的端部推力，端部覆土的壓力載荷決定了封頭的厚度；

(2)EEMUA190標準附錄A中推薦的加強筋尺寸過大，可通過應力分析計算進行優化設計，節省材料；

(3)對于傳統的鞍座支撐結構的臥式儲罐，地震載荷對罐體應力的影響非常大，但是對于覆土子彈罐結構影響較小，說明覆土子彈罐的基礎支撐結構抗震效果更好.