球罐凹坑缺陷的有限元分析.pdf

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1、第39卷第4期化工机械491球罐凹坑缺陷的有限元分析周嘉炜4(广州市特种承压设备检测研究院)摘要运用ANSYS软件对球罐的凹坑缺陷进行有限元分析，对不同数量、不同大小、不同距离的凹坑缺陷进行定量研究，找出其变化规律，为球罐的安全使用和检测提供可靠数据。关键词球罐凹坑缺陷有限元分析中图分类号TQ053．2文献标识码A文章编号0254石094(2012)04-0491_04球罐是贮存和运输各种气体、液体、液化气体的一种有效、经济的大型压力容器，在化工、石油、炼油、造船及城市煤气工业等领域大量应用。保证球罐的安全运行对保障人民的生命和财产安全有重要的意义。然而，在球罐的安全检测中会发现球罐的各种

2、缺陷，典型的如凹坑缺陷。凹坑缺陷的存在会导致局部应力的增加，对球罐的安全使用产生负面影响，笔者运用ANSYSl0．0软件，对某化工厂球罐的凹坑缺陷进行有限元分析，目的在于对球罐凹坑缺陷的应力集中系数进行定量研究，找出球罐的最大应力值，确保球罐的安全使用。1球罐参数某化工厂一台2000m3球罐的主要参数为：球罐材料15MnNbr球壳弹性模量209．4GPa球壳泊松比O．262球壳密度7830kg／m3工作压力1．2MPa球罐内径15．7m球壳厚度44mm由于球壳的外径与内径之比不大于1．2，可视为薄壁球形容器，其径向和环向薄膜应力计算公式为⋯：旷旷等“07MPa矿十2盯口2百。1w肌№式中盯

3、。——径向应力；盯。——环向应力；r工作压力；D。。——球壳平均直径；卜球壳厚度。2凹坑缺陷的有限元分析2．1缺陷模型的建立根据工厂提供的数据，凹坑缺陷位于球壳的表面。凹坑缺陷在形状、大小及分布密度上各不相同，但凹坑与壳壁的交线近似为圆形，因此可近似地把凹坑看成是半球形。由于球罐为2000m3的大型球罐，球罐曲面所造成的鼓胀效应很小口1。因此，在建模时可用厚度相等的平板替代弯曲的球壳。在球壳中选取面积为800mm×800mm的钢板，对模型施加内压算出球壳的等效应力，为方便从应力云图中看出应力集中系数，应力取整为100MPa。由于凹坑的存在，在缺陷处产生应力集中，应力集中系数计算公式为：％：

4、旦矿西式中矿；——凹坑处应力强度；，矿b——当地或远场应力强度值。根据球罐凹坑的实际分布情况，采用SOL．ID95单元，该单元在保证精度的同时允许使用不规则的形状口1，建立单个凹坑缺陷以及两个凹坑缺陷的有限元模型，如图l、2所示。·周嘉炜，男，1983年10月生，助理工程师。广东省广州市，510100。492化工机械2012年图1单个凹坑缺陷的有限元模型图2两个凹坑缺陷的有限元模型2．2各种凹坑缺陷情况下的应力计算及分析值一致，证明建立的模型是正确的。图3凹坑缺运用ANSYSl0．0软件，计算半径为8、9、10、陷应力云图显示，半径为8mm单个凹坑缺陷的应11、12mm情况下，单个凹坑以及

5、凹坑群引起的应力最大值为183MPa，应力集中系数为1．83；半径力集中系数；凹坑间距为1、2、4、10、20、30、40mm为8mm间距为1mm的凹坑缺陷群的应力最大值情况下，凹坑群引起的应力集中系数。然后讨论为328MPa，应力集中系数为3．28。采取相同的凹坑缺陷在数量、大小和距离方面的变化规律。方法对半径为8mm，凹坑间距为l、2、4、10、20、2．2．1半径8mm的凹坑缺陷30、40mm的凹坑缺陷群进行分析，分析结果见表远场应力强度为100MPa，有限元计算和理论1。a．单个凹坑b．两个凹坑图3半径为8mm的凹坑缺陷应力云图第39卷第4期化工机械493表1半径8mm凹坑缺陷有限

6、元分析结果2．2．2半径9、10、11、12mm的凹坑缺陷采用同样的方法，将半径为9、10、11、12mm的凹坑缺陷的应力计算结果列于表2。表2不同半径的凹坑缺陷有限元分析结果(续表2)从表l、2可以看出：对于半径相同的凹坑缺陷群，随着凹坑缺陷距离的增加，应力集中系数会减小，当凹坑缺陷距离增大到一定范围时(约为20mm)，应力集中系数会趋于一个固定值；对于凹坑缺陷距离相同的凹坑群，应力集中系数会随着凹坑缺陷半径的增加而增加，且随着凹坑缺陷的距离的增加，应力集中系数的增幅会变小。3结论3．1凹坑的存在引起了较大的应力集中，应力集中系数最大值可达3．76。因此对凹坑缺陷要引起足够的重视。3．2

7、对于半径相同的凹坑缺陷群，随着凹坑缺陷距离的增加应力集中系数会减小，当凹坑缺陷距离增大到一定范围时(约20mm)，应力集中系数会趋于一固定值。3．3对于凹坑缺陷距离相同的凹坑群，应力集中系数会随着凹坑缺陷半径的增加而增加，且随着凹坑缺陷距离的增加，应力集中系数的增幅会变小。3．4当凹坑之间的距离增大到一定程度时(约20mm)，各凹坑之间几乎没有影响，此时各凹坑可单独考虑。参考文献[1]刘清方，吴孟娴．锅炉压力容器安全[M