低温液化气体储罐封头及支座的有限元分析

摘要：文章对于由支撑式支座小型立式圆柱形储罐的封头及支座的受力情况，以低温液化气体储罐为例对外罐下封头及支座进行了静力、地震载荷及风载荷分析，结果表明：支座与封头交界的外边角处及边界上方的应力偏大，在设计时要给予特殊考虑。

关键词：支撑式支座；储罐封头；低温储罐；低温液化气体

中图分类号：TE972 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）29-0036-02

中小型立式低温储罐多用于存放低温液化气体，由内罐和外罐构成，内罐受内压、外罐受外压，夹层抽真空，填充粉末绝热，这类储罐绝热效果好、损耗少、可带压储存、减少排放损失、操作费用低，因此在各领域中的应用越来越广泛，其安全性也越来越受到国内外学者的关注。

本文运用ANSYS有限元分析软件，对低温液化气体储罐外罐下封头及支座进行了静力、地震载荷及风载荷分析。

1 低温储罐的基本结构

某低温液化气体储罐总高20m，支座高1m，外罐外径3.6m，厚度18m，材料为Q235-B；内罐外径3m，厚度10mm，材料为X5CrNi48-10；支座底板长0.35m，宽0.28m，材料为Q235-B。内外筒体间设有拉筋相连，其中空隙填充珠光砂，用于保温。

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

内罐是通过拉筋同外筒体相连，内筒及其内部液化气体的质量完全作用在外罐壁上，文章分析的是支座及外罐下封头的受力状况，因此建模时将内罐及其内部液化气体的质量、珠光砂的质量均等效到外罐壁上，通过改变外罐壁的密度来实现质量等效。

利用ANSYS数值分析软件建立有限元模型，储罐壁、封头及支座均选用shell63单元，并忽略开孔接管进行适当简化，有限元模型如图1所示。

2.2 自重（满罐）静力分析

图2给出了满液自重工况下封头及支座的应力强度云图，封头的最大应力强度在封头与支座交界处正上方（记为①点），距离封头边缘100mm处（不计封头直边段长度），最大应力强度值为106MPa，支座的最大应力强度出现在支座与封头交界的边角处（记为②点），最大应力强度值为97.7MPa。因此在进行地震响应分析和风载荷分析时着重考虑这两点的应力情况。

2.3 地震载荷下的受力分析

2.4 风载荷静态分析

对于细高型的塔器，风力计算时，高度10m以下的塔设备，按一段计算，对于超过10m的塔设备，以每10m分为一段计算，设备中第i段所受的水平风力为：

Fi=K1K2ifiq0liDei

式中：

K1―体型系数，对于细高罐取0.7

K2i―塔设备中第i计算段的风振系数，对于塔高H≤20m的塔设备取1.7

q0―塔设备所在地区的基本风压，按50年一遇取450N/m2

li―各计算段的计算高度

Dei―第i段迎风面的有效直径，计算中取外罐直径

该低温储罐高为20m，分为两段计算风力，由上式计算得F1=F2=14265N，在有限元分析中，将水平风力以等效压力的形式作用到迎风面罐体上，等效压力为

N/m2，经分析，①点的应力为118MPa，②点

的应力为114MPa，两者相差不大。

3 结语

（1）小型立式圆柱形低温储罐下封头及支座的最大应力出现在支座与封头交界的外边角处以及边界上方。

（2）地震情况下，罐体会由小范围晃动发展为大范围晃动，①、②两点的应力强度也随之增大，均达到屈服极限，且②点的峰值应力增大得较多，更易发生屈服。

（3）风载荷情况下，①、②两点的应力与满罐自重时相比增加不大，均满足强度要求。

参考文献

[1] 郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计（第三版）

[M].北京：化学工业出版社，2010.

作者简介：张光浩（1983―），男，河北深州人，河北联合大学机械工程学院助教，硕士，研究方向：压力容器安全技术方面的教学。