天然气贮罐的疲劳分析

第30卷第4期化工机械221天然气贮罐的疲劳分析方佩珍**潘永亮黄卫星杨颖(四川大学)摘要用压力容器的基本理论和有限单元法等对天然气贮罐的壳体、紧缩口、平盖等构件进行疲劳性能分析,确定结构及相关尺寸是否满足该设备疲劳寿命的要求。结果表明,在对贮罐结构给出了相应的限制条件和要求后,该贮罐满足循环次數n= 80000次条件下的疲劳强度要求。关键词贮罐压力应力疲劳分析中图分类号TQ053.2文献标识码A文章编号.0254-6094( 2003 )040221-0460天然气贮罐是供贮存精脱硫天然气的容器。00开当贮罐装人高压天然气后,再通过它向车用钢瓶充气。贮罐工作过程承受升压、降压的交变载荷作用，在贮罐焊缝、接管及其他结构不连续的区域,因产生塑性应变的高应力区容易导致容器的疲劳破坏。为了避免贮罐的失效，必须对贮罐各85.7部件进行详细应力计算,并根据应力计算结果对贮罐进行疲劳分析。1贮罐技术参数介质精脱硫天然气Pu$5 <25mg/m'(标)设计压力p 26MPa图1贮罐的结构 简图最低工作压力pmin 7MPa2.1 简体工作温度50C简体采用多层包扎式结构，内层材料为20R,循环次数n 80 000次厚度20mm,层板材料为16MnR,板厚8mm,共72贮罐的疲劳分析贮罐的结构如图1所示。罐体由简体、球形层。由于采用优质薄板,而承担该设备的制造厂封头和紧缩口组成,紧缩头小端通过螺栓与平盖家具有长期生产多层包扎式厚壁简的成熟经验，连接。通过对贮罐各部件的详细应力分析，图1因此能完全保证设备的质量。在对该简体进行应中各部件的结构尺寸均满足按应力分类法设计的力分析时，将多层包扎式壳体等效为整体壳壁。强度条件。在此基础上进行疲劳分析,以确保结容器在工作过程中的压力波动范围Op = 19MPa。构承受预计的循环载荷而不发生疲劳破坏的能简体疲劳问题主要考虑筒体焊缝及简体上的力。因为工作温度不高,计算时忽略温度对材料开孔接管影响,对于简体焊縫,根据JB4732 ,其疲弹性模量的影响。在以下分析中,材料的许用应劳强度减弱系数取Kr=2.0。计算表明，简体在力幅按JB4732标准确定。Op影响下的交变应力幅为68. 01MPa,而由材料四川省应用基础研究项目(01CY051406)。*方佩珍,女,1975 年6月胜,硕士生。四川省成都市,610065。222化工机械2003年的设计疲劳曲线查得许可应力幅为146.4MPa,即76K=146. 4/68.01=2. 15 > K,这表明简体的疲劳强度是满足要求的。对于简体上开孔问题,开孔接管采用与壳体全焊透的形式，按应力指数法计算出应力集中系数K,=3.3,即K, > K,这表明简体上开孔不能满_3足疲劳强度的要求。设计要求简体上不得设置任何形式的开孔，而应将必要的开孔设置在端盖上。图2平盖示意图2.2 球形封头条件下板中心处的交变应力幅为29. 51MPa,板材球形封头采用钢板冲压成型,材料为20R,由的许用应力强度幅与操作时的交变应力幅之比K于冲压过程中的变形导致封头厚度不等,即使经=4. 54。平板中心附近开孔接管的应力集中系数过机加工后,保证封头与简体厚度相等,但封头顶K,不会超过上述K值,表明平板中心区域能满足点处仍然较薄。分析时以封头最薄处考虑。计算相应疲劳寿命的要求。表明，由材料的设计疲劳曲线得到的许用应力幅平板密封面处环形断面是平盖的薄弱环节。与操作时的交变应力幅之比K=3.82。封头因冲计算该处的弯曲应力和剪应力,按第三强度理论压成型使厚度不均,但厚度变化是平缓的,经机加得交变应力幅为29. 86MPa ,许用应力幅与交变应工后,其厚度变化的绝对值并不大,不会对分析结力幅之比K=4.48,考虑到结构造成的应力集中果产生大的影响。因此，封头自身满足工作条件和偏于保守的计算方法,其结构的疲劳强度是满下的疲劳强度要求。足要求的。因工艺需要,球形封头上有开孔接管,设计采2.5 螺栓用厚璧管,并与壳体完全焊透,内外表面圆滑过考虑螺栓连接系统的刚度修正后,螺栓波动渡。按应力指数法可得该结构的应力集中系数载荷为W=QQj+r=-0Q。式中r为螺检抗拉K,=2.2,则K < K,表明球形封头的开孔接管满足疲劳强度要求。刚度系数中K,与法兰、垫片抗压刚度系数K。之2.3简体 与球壳的连接边缘K。简体与球壳的连接处因结构不连续而产生边比,即r=令,分析表明K。 K，所以螺栓疲劳寿命满足n = 80 000次的000要求。002.6 紧缩口g紧缩口将内径D,=805mm筒体逐渐过渡至d = 400m的人孔接口。紧缩口结构有多种形-200-- -周向应力-300经向应力式，通过对不同结构的分析比较,并结合紧缩口的02004006008001000加工特点,设计时使过渡区具有更多金属的平滑轴向距离/ mm过渡,最后采用不同半径的反向曲线过渡结构，如图3所示。图5外壁径向、周向应力 曲线80量为:Ao。=σmg=114MPa,内壁处径向应力波动值Sσ,=-19MPa,在循环过程中最大主应力差的波动量为s, =Oσp - Aσ, =114+ 19 =133MPa,交变应力强度幅Sae =0.5S, =66. 5MPa,R=177s = 146.4-2.20。! B2=80Sa 66.5由以上计算结果,可得到与2.1和2.3节相1402.5同的结论。紧缩口的结构决定了该结构的应力水平较图3紧缩口简图低,在与简体的连接边缘处应力σ。=98MPa,循环过程中的应力波动量为:紧缩口应力采用有限元分析方法,有限元计Oσ。=σ。25 =98 x =71.62MPa .9_算程序是根据线弹性轴对称结构编制的。计算程序用于已知应力分布关系的其他结构试算，表明主应力波动量为:S, =Aσ。+ Ap=71.62 +19 =90. 62MPa程序的计算是可靠的。紧缩口及部分简体的应力交变应力幅为:分布如图4.5所示。Sa =0. 5S, =45. 31MPa500 FS。_ 146.4K=-=45.31=3.23吗300圖向应力上述计算结果表明,紧缩口结构处满足n=80 000次条件下的疲劳强度要求。国100of3结束语100200 400 600 800 10000在对天然气贮罐的焊縫、开孔接管及其他不轴向距离/mm连续结构的疲劳分析过程中,对其结构提出了一些限制性条件和要求，对平盖则采用了保守的计图4内壁径向、周向应力曲线图算方法。分析结果表明，贮罐的整体结构满足n= 80000次条件下的疲劳强度要求。简体部分的最大应力在简体内壁处,σom =(收稿日期:2003 02-28 ,修回日期:2003-04-16)156MPa,计人波动压力Ap的作用,最大应力波动(下转第234页)234化工机械2003年首次对R-201、R-202的全面检测,以及2002年合参考文献肥通用机械研究所对R-201、R-202第2次全面检1黄汉中. 热壁加氢反应器焊接工艺及维修检测要点.测，均末发现异常现象,经专家鉴定安全状况等级石油化工设备技术,1993,14(4):11-17定为一-级。 可见对1.25C0.5Mo钢材,若设计一2林师焱,耿文范,易邦旺、 石油加工腐蚀及耐蚀钢、北些操作条件不太苛刻的加氢反应器是完全可行京:冶金I业出版社,1991.37 ~39 ,62 -64的。类似凡士林加氢的反应器，今后可以立足国3仇恩沧。 临氢设备用材点滴，石油化工设备技术，1993,14(6):2-5内选材制造,提高引进设备的国产化率。(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页)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投资省、流程简单、操作方便、能耗低、运行稳定XJF型废旧橡胶常温精细粉碎设备被评为国家重点新产品浙江绿环橡胶粉体工程有限公司(前身为浙江省嵊州市绿环机械制造有限公司)开发的XJF型废旧橡胶常温精细粉碎设备,日前经专家评审被认定为国家重点新产品。这是该设备继获得国家专利,通过国家石油和化学工业局科技成果鉴定,列入浙江省技术创新项目之后的又一殊荣。专家认为该设备采用水冷锥形磨体式的新颖结构设计和特殊耐磨材质，可使预碎后的5~15目橡胶粉粒、塑料片粒等在常温下一次粉碎成60~200目细度之粉体，FRP出粉:率达80%以上,技术处于国内领先,并达到国际先进水平。该设备已实现了产业化,适用于胶粉企业工业化连续生产,从而大大推动了我国胶粉工业的发展,为我国常温生产精细胶粉开创一条“常温粉碎”的技术路线,闯出一条适合中国国情发展废旧橡胶再生利用的道路,值得大力推广。废旧橡胶是固体工业废弃物的一种,随着橡胶工业及汽车工业的发展，大量的废旧轮胎、(下转第249页)