裙座支撑-小型高压球罐（10m3）有限元分析设计工程案例

球形储罐，顾名思义，外形呈球状，主要用于存储与运输各种气液或液化气体的一种有效、经济的压力容器，在化工、石油等领域大量应用。在同样壁厚条件下，与其它形状的容器相比，其受力均匀，承载能力高，能极大的节约材料成本。依据球罐自身的特点，在某天然气输送项目中，有一天然气流计量用贮存容器（10 m3），采用球形储罐结构，出于设计条件对设备自重有严格限制，要求设计重量最小。该球罐容积为10 m3，而GB12337-2014标准不适用于公称容积小于50m3的球罐，故该球罐不能按GB 12337-2014进行规则设计。

GB12337不适用于＜50m3球罐的原因

GB12337《钢制球形储罐》标准中对球罐的工程容积没有规定上限，而只规定了下限，即球罐的公称容积不能＜50m3，主要考虑的原因：

1）小于50m3的球罐大多为高压，用途特殊，与它配套的制造检验要求也特殊，与球罐的要求相差甚远，应用领域窄，这条规定与标准中对于设计压力不能大于6.4Mpa的限定也是一致的（比如本文中的球罐容积为10m3，而设计压力为高压10Mpa，主要用于贮存天然气）。

2）小于50m3的球罐与圆筒形储罐相比，虽然耗材量少，但由于拼板块数多，现场组装、组焊难度均较大，焊缝长，制造周期长，综合经济指标差。因而当容积小于50m3时，选用圆筒形储罐比选用球罐经济。

球罐主要设计参数

该球罐需要按照JB4732标准进行分析设计。其设计条件和主要参数如下表所示1所示：

表1 球罐主要设计参数

球罐材料的选择

在选材方面，板材选用球壳用的钢板球罐低温用高强度调质钢板07MnNiMoVDR；球罐承压锻件用10Ni3MoVD锻件。上述材料均经安全注册并通过“锅炉压力容器标准化技术委员会“的技术评审。球罐用材的化学成份与材料属性，如下表2~5所示：

表2 07MnNiMoVDR钢板化学成分（熔炼分析）的技术要求(%)

表3 10Ni3MoVD钢锻件化学成分（熔炼分析）的技术要求(%)

表4 球罐设计应力强度

表5 球罐材料属性

球罐结构描述及示意

该球罐结构，主要包括球壳板与以下的七个管口，支撑型式为裙座。裙座上两侧分别设有方形人孔(450×450)，供设备安装检修用。为保证设备安全性，球壳开孔采用整体双锥段锻件补强，接管锻件与球壳板的连接采用对接形式，以满足100%射线检测要求。球壳板扣除了材料的腐蚀裕量与成形减薄量，计算厚度取29.5mm。球罐主要的结构与尺寸，如下图1所示：

图1 该球罐结构简图

图2 接管结构示意图

球罐有限元模型

为保证球罐受力结构的完整性，本分析从整体角度出发，应用大型有限元通用软件ANSYS软件，采用SOLID95实体单元，建立有限元三维立体全模型。SOLID95是20节点高阶单元，每个节点有3个平动自由度(X,Y,Z方向)，能够容许一定的不规则形状，且更好的保证计算精度，对偏移形状保持良好的兼容性，适合模拟带曲线边界的模型。本模型单元数量：159108，节点数量：732617，有限元模型如下图3~4所示：

图3 该球罐整体有限元模型

图4 球罐局部接管有限元模型

球罐设计载荷工况

本球罐分析设计主要考虑两种载荷：内压和自重，对球罐的整体分析应考虑以下几种载荷组合工况：

1）仅内压作用工况；

2）仅考虑球罐自重（该工况按标准可不用考虑，本文增加了这部分计算，为了更直观的说明）；

3）综合考虑内压+球罐自重的组合工况。

注：由于该球罐安装与运行均在室内，无保温、无梯子平台，并且球罐的体形较小，相对重量较轻，因此忽略风载荷、雪载荷与地震载荷的影响；并且，根据管道条件，球罐管口无机械外载。

球罐边界条件的施加

1）内压：在球壳与接管内表面，施加压力载荷(10.0MPa)。同时，为保证设备内压力系的平衡，在接管端部施加内压产生的轴向平衡压力；

2）球罐自重：球罐的操作质量，包括球壳、接管、裙座、物料及球罐预焊接等其它附件的重量。有限元模型中，球罐自重载荷，采用等效密度法，经计算当量成材料的等效密度(ρ=m/V)，以惯性载荷的形式在加速度场中转换成单元体积力(G=mg)的方式，加载在整个球壳单元上。

3）位移边界条件：球壳裙座下底面，施加竖直轴向与环向位移约束。

载荷和位移边界条件的施加如下图5所示：

图5 有限元模型载荷和位移边界条件

应力计算结果

三种工况应力计算云图如下图6~7所示：

图6 内压工况：应力最大值470.82Mpa

图7 自重工况：应力最大值7.54Mpa

图8 内压+自重工况：应力最大值470.67Mpa

经分析可知，“自重+内压”所产生的组合工况，为设备的最危险工况，且自重本身产生的应力较小，远低于内压所产生的应力，应力水平在总应力值中占比极小，对本球罐影响甚微。故球罐的强度校核仅需要对“自重+内压”工况进行评定即可。在球罐各部分焊缝处，采用各种材料中相应设计许用应力强度的最低值，来对设备强度进行评定。

应力强度评定

根据JB4732-1995的规定，在有限元模型关键区域，选取危险路截面径进行应力线性化分类，然后将各项应力划类进行评定。同时，为简化计算工作量评定过程，在本分析中，一次加二次应力强度SⅣ按设计工况考虑。在各类应力可能产生的最大位置处，自定义12条路径如下图9所示：

图9 路径定义示意图

应力强度评定结果如下表6所示：

表6 球罐材料属性

注：1. 路径PATH_01的薄膜应力,视为一次总部薄膜应力SI，按1.0·K·Sm评定；

2. 其它路径的薄膜应力,视为一次局部薄膜应力SII，按1.5·K·Sm评定；

3.  所有路径的膜+弯应力,视为二次应力SIV，按3.0·Sm评定；

本文内容来源于ANSYS用户大会论文集，作者为中国寰球工程公司的丘波、程伟，由笔者学习整理发布，文中内容仅代表论文作者的观点，仅供学习、交流、探讨用。

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