晋文娟1,范章1,缪岭1
1.中国核电工程有限公司，北京 100840）
摘要：文章采用ANSYS Workbench有限元软件对立式储罐进行整体建模，分析设备在吊装工况下的强度和变形，验证设备在吊装工况是否满足相关标准要求，并对设备竖直吊装与斜15°吊装下的计算结果进行对比研究，研究结果对设备的设计和设备的吊装具有重要的指导意义。
关键词: Workbench；立式储罐；吊装工况；应力分析
1.引言
储罐是广泛用于石油、化工、核电等工业领域的一种常见设备，其存储的物质通常具有易燃、易爆、腐蚀等特性。储罐储量一般较大，一旦发生破坏，危害十分严重。因此针对储罐进行可靠地设计与分析，保证其安全非常重要。
本文以废水槽为例，采用ANSYS Workbench有限元软件对立式储罐进行计算，分析储罐在吊装工况下的应力，判定其是否满足相关标准要求，并研究了吊装角度对设备的影响。
2. 模型建立
2.1几何模型
废水槽主要由封头、圆柱形筒体、4个轴式吊耳、底板及接管等组成。封头与筒体、筒体与吊耳、筒体与底板之间都为焊接连接。设备通过4个轴式吊耳进行吊装。本文只研究吊装工况下设备的受力情况，故从简化模型角度考虑在建模中忽略接管的建立。
2.2网格划分
废水槽的封头、筒体和底板均为薄壳结构，采用Shell181单元进行建模。4个轴式吊耳采用Solid 186实体单元建模，两种不同的单元间采用多点约束MPC法绑定接触。
2.3载荷及位移边界条件
考虑到制造厂的制造误差的影响，设备质量考虑1.2倍空重，同时考虑到吊装时动载荷冲击系数、多个吊耳吊装时的不均匀性[2],计算时将总重（吊装综合影响系数*1.2倍空重）以等效密度形式加到设备自重上。
根据标准要求，吊索方向为与竖直方向夹角≤15°，故本文模拟2种极限工况:设备垂直吊装和斜15°吊装，即四个吊索方向与竖直方向夹角分别为0°和15°。有限元模型在吊耳挡板端面施加沿竖直方向或者沿夹角15°方向UZ=0的约束条件。
3. 结果分析
3.1网格无关性分析
为验证计算对于网格的依懒性，本文对网格总数为11万，21万的两组模型进行了计算对比。图1为网格对比图。图2为不同网格模型的应力云图对比。从图中可以看出，两种网格模型应力分布基本一致，筒体上最大应力相差0.764MPa，约为1.2%，误差较小。兼顾计算精度和效率，本文采用11万网格的模型进行计算。
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3.2结果分析
设备吊装时变形云图如图3所示。两种吊装工况下变形分布基本一致，由图可知，设备最大变形出现在底板上，筒体、封头、吊耳的变形明显小于底板，并且根据筒体变形云图可知，筒体变形为局部变形，未出现失稳现象。
设备吊装时最大薄膜加弯曲应力云图如图4所示。设备最大应力出现在吊耳上，筒体、封头、底板上的应力均较小。根据表1可知，竖直吊装工况下设备最大薄膜加弯曲应力为163.71 MPa，斜15°吊装工况下设备最大薄膜加弯曲应力为167.79 MPa，均小于材料屈服强度180MPa[3,4]，满足强度要求。
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对比两种吊装工况下的变形量和最大应力值可知，竖直吊装工况下各部件变形量小于斜15°吊装工况。竖直吊装工况下筒体、吊耳和底板最大薄膜加弯曲应力小于斜15°吊装工况。这是由于竖直吊装工况只存在竖直方向的吊装载荷（与重力相等），而斜15°吊装工况除存在与重力相等的竖直方向载荷，还存在水平方向的载荷，并且载荷大小会随着吊装角度增大而增大。
4.总结
采用ANSYS Workbench软件，对废水槽吊装工况进行了有限元分析，得到如下结论：
吊装工况下设备底板变形最大，筒体、封头变形较小，且为局部变形，不会发生失稳现象，满足刚度要求；
吊装工况下设备吊耳应力最大，且最大应力小于限值，满足强度要求；
竖直吊装比斜15°吊装设备变形及设备应力更小，推荐有条件下选择竖直吊装。
参考文献
[1] SH 3046-1992石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范[S],中国石油化工总公司，1992
[2] HG/T 21574-2018化工设备吊耳设计选用规范[S],北京：科学技术文献出版社, 2018
[3] JB/T 4732-1995钢制压力容器-分析设计标准（2005年确认）[S], 北京：中国标准出版社, 1995
[4] GB/T 150-2011压力容器[S], 北京：中国标准出版社, 2011