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基于應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)的低溫儲(chǔ)罐輕量化設(shè)計(jì)

2011-07-25 10:28馮小松錢才富陳志偉陳學(xué)東楊鐵成
壓力容器 2011年11期
關(guān)鍵詞:封頭儲(chǔ)罐不銹鋼

馮小松,錢才富,陳志偉,陳學(xué)東,楊鐵成

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京 100029;2.合肥通用機(jī)械研究院,安徽合肥 230031)

0 引言

近年來(lái),隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和低溫技術(shù)應(yīng)用的日益普及,液氮、液氧、液氫、液氬、液氦、液化天然氣等低溫氣體的應(yīng)用日益廣泛,奧氏體不銹鋼深冷容器的需求量不斷增加[1],其安全性和經(jīng)濟(jì)性一直備受關(guān)注。為了節(jié)約材料、減輕重量,降低制造、運(yùn)輸和安裝過(guò)程的能耗,實(shí)現(xiàn)安全與經(jīng)濟(jì)并重、安全與資源節(jié)約并重的低碳制造理念,輕型化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為奧氏體不銹鋼深冷容器的主導(dǎo)發(fā)展方向[2-3]。

實(shí)現(xiàn)輕型化設(shè)計(jì)的主要途徑之一就是采用奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù),即利用其優(yōu)良的延伸性能,通過(guò)應(yīng)變強(qiáng)化處理方法顯著提高其屈服強(qiáng)度。文中針對(duì)相同設(shè)計(jì)參數(shù)的某低溫儲(chǔ)罐,采用常規(guī)設(shè)計(jì)、分析設(shè)計(jì)和極限分析三種不同的方法進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì),并進(jìn)行對(duì)比分析。

1 低溫液化氣體儲(chǔ)罐的常規(guī)設(shè)計(jì)

該低溫液化氣體儲(chǔ)罐總高12.164 m,外夾套外徑2.2 m,厚度7.9 mm,材料 Q235 -B;內(nèi)筒體外徑1.785 m,材料1.4301(歐盟鋼材牌號(hào));內(nèi)筒體和夾套由中間8個(gè)拉筋、上下共8個(gè)拉板連接。對(duì)其內(nèi)筒體分別采用中國(guó) GB 150[4]與德國(guó)AD 2000[5]進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì),前者未考慮應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)的影響,后者則考慮應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)。設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示,計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 某低溫液化氣體儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》的相關(guān)規(guī)定,考慮加工減薄量并向上圓整后得筒體和封頭的名義厚度[4-6]。兩種設(shè)計(jì)方法的最終結(jié)果對(duì)比如表3所示。表3中的結(jié)果表明,考慮應(yīng)變強(qiáng)化可以顯著減小壁厚,從而降低制造成本。

表2 常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

表3 常規(guī)設(shè)計(jì)最終結(jié)果

2 304不銹鋼的應(yīng)變強(qiáng)化試驗(yàn)

為進(jìn)行極限載分析,文中通過(guò)應(yīng)變強(qiáng)化試驗(yàn)與金屬拉伸試驗(yàn)確定304不銹鋼在應(yīng)變強(qiáng)化前后的力學(xué)性能,試驗(yàn)試樣見(jiàn)圖1[7]。

先進(jìn)行304不銹鋼的應(yīng)變強(qiáng)化試驗(yàn)。在工程實(shí)際中,304不銹鋼制低溫液化氣儲(chǔ)罐室溫應(yīng)變強(qiáng)化后所測(cè)量的周長(zhǎng)最大允許塑性應(yīng)變不超過(guò)6%,因此,這里對(duì)試樣也進(jìn)行6%的應(yīng)變強(qiáng)化,即將試樣加載到6%的應(yīng)變后卸載,應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。

圖1 拉伸試樣尺寸

然后對(duì)發(fā)生應(yīng)變強(qiáng)化后的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),確定強(qiáng)化后的屈服強(qiáng)度,拉伸試驗(yàn)得到的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。

材料強(qiáng)化前的化學(xué)成分見(jiàn)表4,強(qiáng)化前后的屈服強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5??梢?jiàn),強(qiáng)化后材料的屈服強(qiáng)度顯著提高。

圖2 應(yīng)變強(qiáng)化前后304不銹鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線

表4 304不銹鋼的化學(xué)成分%

表5 應(yīng)變強(qiáng)化前后304不銹鋼的屈服強(qiáng)度

3 低溫儲(chǔ)罐的有限元數(shù)值模擬

3.1 有限元模型的建立

采用ANSYS進(jìn)行有限元分析。由于結(jié)構(gòu)均具有薄殼幾何特征,故采用Shell 181單元進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分和應(yīng)力分析。分析設(shè)計(jì)時(shí)給定應(yīng)變強(qiáng)化前的材料屬性,極限分析時(shí)采用強(qiáng)化后的應(yīng)變曲線定義多線性等向強(qiáng)化材料模型。

低溫儲(chǔ)罐的內(nèi)外筒連接幾何模型與有限元網(wǎng)格模型如圖3,4所示。

3.2 載荷與邊界條件

考慮到該低溫儲(chǔ)罐的實(shí)際工況,將支腿底板施加全約束,內(nèi)筒施加1.7 MPa內(nèi)壓,外筒施加-0.1 MPa的外壓。

極限分析時(shí),設(shè)置1000個(gè)載荷子步緩慢加載,打開(kāi)大變形算法以及節(jié)點(diǎn)位移自由度預(yù)測(cè),以提高求解效率[8]。

圖3 內(nèi)外筒連接幾何模型

圖4 有限元網(wǎng)格模型

4 結(jié)果分析與討論

應(yīng)變強(qiáng)化使304不銹鋼的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度提高,根據(jù)JB 4732—1995(2005年確認(rèn))中相關(guān)規(guī)定確定設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度值,即取 min(Rm/2.6,Rp0.2/1.5/1.5),最后得到強(qiáng)化前設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度為137 MPa,強(qiáng)化后為259 MPa。

由于低溫儲(chǔ)罐的內(nèi)筒體為薄壁容器,分析設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)度控制指標(biāo)往往是總體薄膜應(yīng)力SⅠ,因此這里只考核SⅠ,即要求SⅠ≤137 MPa或SⅠ≤259 MPa,由此反算出剛好滿足校核要求的內(nèi)筒柱殼和封頭厚度,結(jié)果見(jiàn)表6??梢钥闯?,應(yīng)變強(qiáng)化使內(nèi)筒柱殼減薄了45.5%,封頭減薄了33.3%。

表6 按分析設(shè)計(jì)法得到的強(qiáng)化前后厚度計(jì)算結(jié)果

圖5,6示出了應(yīng)變強(qiáng)化前后,由極限分析得到的塑性流動(dòng)區(qū)最大位移點(diǎn)的載荷—位移曲線,利用偏于保守的雙切線法確定該低溫儲(chǔ)罐的極限載荷[10],并取安全系數(shù)1.5來(lái)確定極限承載能力。結(jié)果顯示,未強(qiáng)化的極限載荷為1.47 MPa,極限承載能力0.98 MPa;強(qiáng)化后的極限載荷3.51 MPa,極限承載能力2.34 MPa。應(yīng)變強(qiáng)化后極限承載能力提高了139%。

5 結(jié)語(yǔ)

圖5 應(yīng)變強(qiáng)化前極限載荷分析

圖6 應(yīng)變強(qiáng)化后極限載荷分析

在實(shí)測(cè)得到304不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化曲線的基礎(chǔ)上,建立有限元分析模型,采用常規(guī)設(shè)計(jì)、分析設(shè)計(jì)和極限分析三種不同的方法對(duì)相同設(shè)計(jì)參數(shù)的304不銹鋼制低溫儲(chǔ)罐內(nèi)筒進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì),考核應(yīng)變強(qiáng)化效果。發(fā)現(xiàn)考慮應(yīng)變強(qiáng)化后,按常規(guī)設(shè)計(jì)內(nèi)筒柱殼厚度可降低50%,按分析設(shè)計(jì)可降低45%,而按極限分析,承載能力可提高139%。

[1]鄭津洋,郭阿賓,繆存堅(jiān),等.奧氏體不銹鋼深冷容器室溫應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)[J].壓力容器,2010,27(8):28-32.

[2]鄭津洋,繆存堅(jiān),壽比南.輕型化——壓力容器的發(fā)展方向[J].壓力容器,2009,26(9):42-48.

[3]韓豫,陳學(xué)東,劉全坤,等.基于應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)的奧氏體不銹鋼壓力容器輕型化設(shè)計(jì)探討[J].壓力容器,2010,27(9):16 -20.

[4]GB 150—2010,固定式壓力容器[S].

[5]AD 2000,德國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6]GB/T 25198—2010,壓力容器封頭[S].

[7]GB/T 228—2002,金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法[S].

[8]王勖成,邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[9]JB/T 4732—1995(2005年確認(rèn)),鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[10]余偉煒,高炳軍.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2007.

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