中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院 天津 300452
摘要：运用ANSYS 有限元分析程序对非常规矩形常压容器进行挠度、应力模拟分析，模拟出各危险点或面，数值模拟结果与计算结果吻合。本文对矩形常压容器的优化设计具有指导意义。
关键词：非常规；矩形容器；有限元分析；优化设计
1 前言
在渤海某油田的CEP平台上，有10台矩形常压容器由于结构尺寸较大或设计压力较高的原因，采用常规的方法计算比较复杂，因此在设计时运用ANSYS有限元分析程序对其挠度、应力进行了模拟分析，通过分析可以直观的看出危险点或面，这对矩形常压容器的优化设计、提高设计人员工作效率和水平具有重要意义。
2 理论计算方法概述
根据NB/T 47003.1-2009《钢制焊接常压容器》，矩形容器的计算方法为：首先进行顶板在自重和试验压力组合下的强度及挠度校核；然后再由上向下校核长侧板和短侧板各圈壁板、加强筋的强度及挠度；最后校核在空罐重力载荷、试验压力以及液柱静压力组合作用下底板的强度和挠度。
3 模拟与结果分析
3.1 模拟前处理
选取CEP-T-4201A/B作为计算实例，罐体尺寸6000mm（L）×3000mm（W）×5000mm（H）（单），设计压力为5KPaG，试验压力为10KPaG。由于罐体的几何形状、液柱压力都关于罐体两个对称面对称，故可以取A罐的1/2进行分析，整个模型的分析结果可由此扩展得到。同时在有限元模拟时，为了建模方便做了两点假设：第一、假定了各构件之间连续焊接，承载能力等同于母材；第二、加强筋由附着在壁板上的线用BEAM单元直接生成，故相交的加强筋之间有共同的节点，计算中不会产生应力集中，但实际上该处会产生应力集中。因此在设计中还须注意以下三点：a、侧板之间的焊缝必须是坡口焊缝，而不能简单的角焊以保证焊缝强度和减少应力集中。b、加强筋相交之处须有应力释放措施。c、制造完工后须按相关标准要求进行探伤、热处理。
根据上述分析及CEP-T-4201A/B设计图纸建立模型，分析程序选用大型有限元程序ANSYS。选用SHELL63单元配以不同的实常数（代表厚度）模拟罐壁、顶板和底板；选用BEAM188 单元配以不同的截面特性模拟罐体加强筋、罐内拉杆及底座支撑梁。根据经验，人孔等大直径开孔补强后实际强度均大于罐本体强度，小直径开孔对罐体强度及应力分布影响有限，故没有将这些开孔模拟到本次分析的模型中。根据设计选材，罐壁、顶板、底板选用16MnR，加强筋、罐内拉杆及底座支撑梁选用Q345B，拉杆选用6” SCH40 无缝钢管，进行分析。
3.2 模拟工况及边界条件
计算主要校核最大压力工况即试验工况，试验工况下设备主要受内盛液体产生的压力及试验附加压力，即顶板p1=9.8e-3MPa，底板p2=5.88e-2MPa，侧壁所受压力由上到下逐渐增大，斜率为-9.8e-6。根据规格书的规定，对罐底角点进行全自由度约束，底座外框自由；在对称边及节点上加正对称边界条件，另外在A/B罐的中隔板处除了施加了正对称边界条件，还根据实际情况约束掉了侧板的X向自由度，约束掉了顶板的 Y向自由度。
3.3 模拟结果及分析
FIGURE 3到FIGURE 7是容器的变形分析结果。FIGURE 4表示的是6000mmX5000mm面的挠度，最大值小于10.5mm < 6000/300 = 20mm。
FIGURE 5表示的是3000mmX5000mm面的挠度，最大值小于9.1mm < 3000/300 = 10mm，FIGURE 6底板的变形在0～9.1mm之间，远小于允许值6000/300 = 20mm。FIGURE 7表示的是顶板试验工况时挠度，最大值小于9.1 mm，远小于允许值6000/300 = 20mm。
FIGURE 14、15是应力分析结果，可以看出侧壁、顶板和底板区域的应力在47.17MPa以下，加强筋上大部分区域的应力在141.433MPa以下，都低于材料的许用应力，而部分纵向加强筋与底座相交处应力较高，超出了材料的屈服值，如FIGURE 14所示，但这并不完全反应该处的真实应力，部分原因是为了建模方便，将加强筋与壁板之间简化成单节点连接导致了部分的应力集中，再者从FIGURE 15 可以看出这些应力超高点的周围区域应力迅速降低，这说明实际工况中应力超高点的应变会迅速扩散到周围区域，该处实际工作应力会迅速降到许用应力以下，故这部分结果可以忽略。内拉杆与罐体结合处由于设有垫板，使应力降至许用应力以下，所以也满足工况要求。
4 模拟结果与理论计算结果对比分析
由于建模时的条件假设，表中顶板和底板的最大模拟应力值出现了一点偏差，但低于许用应力，所以仍满足要求。最大挠度值之所以偏差，是因为理论值体现的是分割区域的峰值，偏保守，而模拟值虽比理论值偏大但也都小于许用挠度，因此也在可接受的范围。综上所述，容器所选的壁板厚度、材质以及底座和加强筋材质、布置型式，经过ANSYS有限元程序模拟分析后验证是基本合理的，能够满足使用要求。
5 结论
运用ANSYS 有限元程序模拟分析非常规矩形常压容器的应力和挠度，可以直观的看出危险点或面，同时在对容器的优化设计时可以节省人力物力，因此本文具有较强的工程实用价值。
参考文献：
[1] NB/T 47003.1-2009，钢制焊接常压容器[S].
[2] JB4732-1995，钢制压力容器-分析设计标准[S].
作者简介：
第一作者简介：马金喜（1977-），男，高级工程师，现主要从事海上油气田开发工程机械研究设计。
论文作者:马金喜,许晓英,王万旭,陈建玲,金秋
论文发表刊物:《基层建设》2018年第13期
论文发表时间:2018/7/10
标签：应力论文; 挠度论文; 顶板论文; 容器论文; 矩形论文; 工况论文; 底板论文; 《基层建设》2018年第13期论文;