天然氣貯罐的疲勞分析

第30卷第4期化工機械221天然氣貯罐的疲勞分析方佩珍**潘永亮黃衛星楊穎(四川大學(xué))摘要用壓力容器的基本理論和有限單元法等對天然氣貯罐的殼體、緊縮口、平蓋等構件進(jìn)行疲勞性能分析,確定結構及相關(guān)尺寸是否滿(mǎn)足該設備疲勞壽命的要求。結果表明,在對貯罐結構給出了相應的限制條件和要求后,該貯罐滿(mǎn)足循環(huán)次數n= 80000次條件下的疲勞強度要求。關(guān)鍵詞貯罐壓力應力疲勞分析中圖分類(lèi)號TQ053.2文獻標識碼A文章編號.0254-6094( 2003 )040221-0460天然氣貯罐是供貯存精脫硫天然氣的容器。00開(kāi)當貯罐裝人高壓天然氣后,再通過(guò)它向車(chē)用鋼瓶充氣。貯罐工作過(guò)程承受升壓、降壓的交變載荷作用，在貯罐焊縫、接管及其他結構不連續的區域,因產(chǎn)生塑性應變的高應力區容易導致容器的疲勞破壞。為了避免貯罐的失效，必須對貯罐各85.7部件進(jìn)行詳細應力計算,并根據應力計算結果對貯罐進(jìn)行疲勞分析。1貯罐技術(shù)參數介質(zhì)精脫硫天然氣Pu$5 <25mg/m'(標)設計壓力p 26MPa圖1貯罐的結構 簡(jiǎn)圖最低工作壓力pmin 7MPa2.1 簡(jiǎn)體工作溫度50C簡(jiǎn)體采用多層包扎式結構，內層材料為20R,循環(huán)次數n 80 000次厚度20mm,層板材料為16MnR,板厚8mm,共72貯罐的疲勞分析貯罐的結構如圖1所示。罐體由簡(jiǎn)體、球形層。由于采用優(yōu)質(zhì)薄板,而承擔該設備的制造廠(chǎng)封頭和緊縮口組成,緊縮頭小端通過(guò)螺栓與平蓋家具有長(cháng)期生產(chǎn)多層包扎式厚壁簡(jiǎn)的成熟經(jīng)驗，連接。通過(guò)對貯罐各部件的詳細應力分析，圖1因此能完全保證設備的質(zhì)量。在對該簡(jiǎn)體進(jìn)行應中各部件的結構尺寸均滿(mǎn)足按應力分類(lèi)法設計的力分析時(shí)，將多層包扎式殼體等效為整體殼壁。強度條件。在此基礎上進(jìn)行疲勞分析,以確保結容器在工作過(guò)程中的壓力波動(dòng)范圍Op = 19MPa。構承受預計的循環(huán)載荷而不發(fā)生疲勞破壞的能簡(jiǎn)體疲勞問(wèn)題主要考慮筒體焊縫及簡(jiǎn)體上的力。因為工作溫度不高,計算時(shí)忽略溫度對材料開(kāi)孔接管影響,對于簡(jiǎn)體焊縫,根據JB4732 ,其疲彈性模量的影響。在以下分析中,材料的許用應勞強度減弱系數取Kr=2.0。計算表明，簡(jiǎn)體在力幅按JB4732標準確定。Op影響下的交變應力幅為68. 01MPa,而由材料四川省應用基礎研究項目(01CY051406)。*方佩珍,女,1975 年6月勝,碩士生。四川省成都市,610065。222化工機械2003年的設計疲勞曲線(xiàn)查得許可應力幅為146.4MPa,即76K=146. 4/68.01=2. 15 > K,這表明簡(jiǎn)體的疲勞強度是滿(mǎn)足要求的。對于簡(jiǎn)體上開(kāi)孔問(wèn)題,開(kāi)孔接管采用與殼體全焊透的形式，按應力指數法計算出應力集中系數K,=3.3,即K, > K,這表明簡(jiǎn)體上開(kāi)孔不能滿(mǎn)_3足疲勞強度的要求。設計要求簡(jiǎn)體上不得設置任何形式的開(kāi)孔，而應將必要的開(kāi)孔設置在端蓋上。圖2平蓋示意圖2.2 球形封頭條件下板中心處的交變應力幅為29. 51MPa,板材球形封頭采用鋼板沖壓成型,材料為20R,由的許用應力強度幅與操作時(shí)的交變應力幅之比K于沖壓過(guò)程中的變形導致封頭厚度不等,即使經(jīng)=4. 54。平板中心附近開(kāi)孔接管的應力集中系數過(guò)機加工后,保證封頭與簡(jiǎn)體厚度相等,但封頭頂K,不會(huì )超過(guò)上述K值,表明平板中心區域能滿(mǎn)足點(diǎn)處仍然較薄。分析時(shí)以封頭最薄處考慮。計算相應疲勞壽命的要求。表明，由材料的設計疲勞曲線(xiàn)得到的許用應力幅平板密封面處環(huán)形斷面是平蓋的薄弱環(huán)節。與操作時(shí)的交變應力幅之比K=3.82。封頭因沖計算該處的彎曲應力和剪應力,按第三強度理論壓成型使厚度不均,但厚度變化是平緩的,經(jīng)機加得交變應力幅為29. 86MPa ,許用應力幅與交變應工后,其厚度變化的絕對值并不大,不會(huì )對分析結力幅之比K=4.48,考慮到結構造成的應力集中果產(chǎn)生大的影響。因此，封頭自身滿(mǎn)足工作條件和偏于保守的計算方法,其結構的疲勞強度是滿(mǎn)下的疲勞強度要求。足要求的。因工藝需要,球形封頭上有開(kāi)孔接管,設計采2.5 螺栓用厚璧管,并與殼體完全焊透,內外表面圓滑過(guò)考慮螺栓連接系統的剛度修正后,螺栓波動(dòng)渡。按應力指數法可得該結構的應力集中系數載荷為W=QQj+r=-0Q。式中r為螺檢抗拉K,=2.2,則K < K,表明球形封頭的開(kāi)孔接管滿(mǎn)足疲勞強度要求。剛度系數中K,與法蘭、墊片抗壓剛度系數K。之2.3簡(jiǎn)體 與球殼的連接邊緣K。簡(jiǎn)體與球殼的連接處因結構不連續而產(chǎn)生邊比,即r=令,分析表明K。 K，所以螺栓疲勞壽命滿(mǎn)足n = 80 000次的000要求。002.6 緊縮口g緊縮口將內徑D,=805mm筒體逐漸過(guò)渡至d = 400m的人孔接口。緊縮口結構有多種形-200-- -周向應力-300經(jīng)向應力式，通過(guò)對不同結構的分析比較,并結合緊縮口的02004006008001000加工特點(diǎn),設計時(shí)使過(guò)渡區具有更多金屬的平滑軸向距離/ mm過(guò)渡,最后采用不同半徑的反向曲線(xiàn)過(guò)渡結構，如圖3所示。圖5外壁徑向、周向應力 曲線(xiàn)80量為:Ao。=σmg=114MPa,內壁處徑向應力波動(dòng)值Sσ,=-19MPa,在循環(huán)過(guò)程中最大主應力差的波動(dòng)量為s, =Oσp - Aσ, =114+ 19 =133MPa,交變應力強度幅Sae =0.5S, =66. 5MPa,R=177s = 146.4-2.20。! B2=80Sa 66.5由以上計算結果,可得到與2.1和2.3節相1402.5同的結論。緊縮口的結構決定了該結構的應力水平較圖3緊縮口簡(jiǎn)圖低,在與簡(jiǎn)體的連接邊緣處應力σ。=98MPa,循環(huán)過(guò)程中的應力波動(dòng)量為:緊縮口應力采用有限元分析方法,有限元計Oσ。=σ。25 =98 x =71.62MPa .9_算程序是根據線(xiàn)彈性軸對稱(chēng)結構編制的。計算程序用于已知應力分布關(guān)系的其他結構試算，表明主應力波動(dòng)量為:S, =Aσ。+ Ap=71.62 +19 =90. 62MPa程序的計算是可靠的。緊縮口及部分簡(jiǎn)體的應力交變應力幅為:分布如圖4.5所示。Sa =0. 5S, =45. 31MPa500 FS。_ 146.4K=-=45.31=3.23嗎300圖向應力上述計算結果表明,緊縮口結構處滿(mǎn)足n=80 000次條件下的疲勞強度要求。國100of3結束語(yǔ)100200 400 600 800 10000在對天然氣貯罐的焊縫、開(kāi)孔接管及其他不軸向距離/mm連續結構的疲勞分析過(guò)程中,對其結構提出了一些限制性條件和要求，對平蓋則采用了保守的計圖4內壁徑向、周向應力曲線(xiàn)圖算方法。分析結果表明，貯罐的整體結構滿(mǎn)足n= 80000次條件下的疲勞強度要求。簡(jiǎn)體部分的最大應力在簡(jiǎn)體內壁處,σom =(收稿日期:2003 02-28 ,修回日期:2003-04-16)156MPa,計人波動(dòng)壓力Ap的作用,最大應力波動(dòng)(下轉第234頁(yè))234化工機械2003年首次對R-201、R-202的全面檢測,以及2002年合參考文獻肥通用機械研究所對R-201、R-202第2次全面檢1黃漢中. 熱壁加氫反應器焊接工藝及維修檢測要點(diǎn).測，均末發(fā)現異?，F象,經(jīng)專(zhuān)家鑒定安全狀況等級石油化工設備技術(shù),1993,14(4):11-17定為一-級。 可見(jiàn)對1.25C0.5Mo鋼材,若設計一2林師焱,耿文范,易邦旺、 石油加工腐蝕及耐蝕鋼、北些操作條件不太苛刻的加氫反應器是完全可行京:冶金I業(yè)出版社,1991.37 ~39 ,62 -64的。類(lèi)似凡士林加氫的反應器，今后可以立足國3仇恩滄。 臨氫設備用材點(diǎn)滴，石油化工設備技術(shù)，1993,14(6):2-5內選材制造,提高引進(jìn)設備的國產(chǎn)化率。(收稿8期:200-02-28.修回8期:2003-06-07)Application of 1. 25Cr0.5Mo Steel in the Hydrogenation ReactorsJIANG Xiaoming( Nol Chemical Plant, Jinling Petrochemical Industry Corporation, Nanjing, 210038, Jiangsu, China )Abstract The application of 1. 25Cr0.5Mo steel in the vaseline hydrogenation reactors was analyzed. It wasconsidered that 1. 25Cr0.5Mo steel was feasible in not very harsh conditions.Keywords Hot Wall Hydrogenation Reactor, Hydrogen-Resistant Steel, 1. 25Cr0. 5Mo(上接第223頁(yè))Fatigue Analysis of Natural Gas ContainersFANG Peizhen, PAN Yongliang, HUANG Weixing, YANG Ying( Sichuan Uniersity, Chengdu, 610065 , Sichuan, China )Abstract A fatigue analysis was made of the shell, contraction opening, cover-plate and so on, and it wasdetermined that if their structure and relative sizes could satisfy the demand of the fatigue life of the containersusing the basice theory and finite element method. The result shows that the containers could satisfy the demandof the fatigue strength with a circulation of 80 000 times after the corresponding limited conditions and require-ments were given to the structures of containers.Keywords Container, Pressure, Stress , Fatigue Analysis投資省、流程簡(jiǎn)單、操作方便、能耗低、運行穩定XJF型廢舊橡膠常溫精細粉碎設備被評為國家重點(diǎn)新產(chǎn)品浙江綠環(huán)橡膠粉體工程有限公司(前身為浙江省嵊州市綠環(huán)機械制造有限公司)開(kāi)發(fā)的XJF型廢舊橡膠常溫精細粉碎設備,日前經(jīng)專(zhuān)家評審被認定為國家重點(diǎn)新產(chǎn)品。這是該設備繼獲得國家專(zhuān)利,通過(guò)國家石油和化學(xué)工業(yè)局科技成果鑒定,列入浙江省技術(shù)創(chuàng )新項目之后的又一殊榮。專(zhuān)家認為該設備采用水冷錐形磨體式的新穎結構設計和特殊耐磨材質(zhì)，可使預碎后的5~15目橡膠粉粒、塑料片粒等在常溫下一次粉碎成60~200目細度之粉體，FRP出粉:率達80%以上,技術(shù)處于國內領(lǐng)先,并達到國際先進(jìn)水平。該設備已實(shí)現了產(chǎn)業(yè)化,適用于膠粉企業(yè)工業(yè)化連續生產(chǎn),從而大大推動(dòng)了我國膠粉工業(yè)的發(fā)展,為我國常溫生產(chǎn)精細膠粉開(kāi)創(chuàng )一條“常溫粉碎”的技術(shù)路線(xiàn),闖出一條適合中國國情發(fā)展廢舊橡膠再生利用的道路,值得大力推廣。廢舊橡膠是固體工業(yè)廢棄物的一種,隨著(zhù)橡膠工業(yè)及汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，大量的廢舊輪胎、(下轉第249頁(yè))