李媛

（中核集團中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

儲罐是在機械領(lǐng)域廣泛使用的設(shè)備，儲罐的種類繁多、形式多樣，但其基本結(jié)構(gòu)是類似的，多由筒體、封頭、接管及支座組成。儲罐類設(shè)備在工程應(yīng)用中必須有足夠的強度，否則不能保證安全運行。在實際工況中，儲罐經(jīng)常會遇到地震載荷，為了避免儲罐因地震載荷受到破壞，需要對其在地震作用下的強度進(jìn)行校核。雖然地震運動是隨機的，但是可以定義為沿著3 個互相正交的軸運動（1 個垂直和2 個水平），3 個地震分量的作用假定是同時發(fā)生的。通過計算模型在樓層反應(yīng)譜曲線上每一個方向的加速度值來進(jìn)行地震載荷的計算分析，為機械設(shè)計類人員解決同類問題提供了參考。

1 計算方法

本文以福建福清核電廠的含氧疏水廢氣罐為例，首先通過利用ANSYS 有限元分析軟件對其進(jìn)行參數(shù)化建模，其次通過模態(tài)分析確定設(shè)備的一階頻率，然后通過一階頻率的計算結(jié)果，按設(shè)備所在廠房、樓層標(biāo)高查相應(yīng)樓層反應(yīng)譜確定設(shè)備的x、y、z 3 個方向的地震加速度，最后通過靜力學(xué)分析對設(shè)備進(jìn)行抗震計算［1］。

2 確定一階頻率

含氧疏水廢氣罐內(nèi)徑為500mm，總高為1510mm，設(shè)計壓力-0.1MPa，設(shè)計溫度90°C，主要材料均為不銹鋼S30403，設(shè)備由支架上的4 個M16 的膨脹螺栓固定在墻上。

2.1 有限元分析模型

本文采用NX 8.5軟件建立儲罐的三維模型，只保留筒體、封頭、支架等主要部件，在不影響總體分析的情況下適當(dāng)省略部分結(jié)構(gòu)。通過NX 軟件與ANSYS 的無縫連接，將幾何模型導(dǎo)入ANSYS 進(jìn)行有限元分析，獲得的設(shè)備力學(xué)模型如圖1 所示。

圖1 設(shè)備的力學(xué)模型

設(shè)備空重120 kg，滿水運行時的全部質(zhì)量為220 kg，受壓材料的許用應(yīng)力為120 MPa，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。在使用有限元分析時，考慮到制造廠的制造誤差及材料代用的影響，空重采用1.2 倍的放大系數(shù)。介質(zhì)充滿容器，不考慮液體的晃動，在計算中將總重（1.2 倍空重+介質(zhì)重量）等效折算到設(shè)備的密度上，通過修改設(shè)備材料屬性中材料密度的方法實現(xiàn)。

2.2 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS 有限元分析軟件提供的20 節(jié)點實體單元（SOLID186）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，節(jié)點數(shù)149 600，單元數(shù)32 900，如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

2.3 模態(tài)分析

圖3 設(shè)備的一階振型

由于含氧疏水廢氣罐在地震載荷的作用下，其變形與內(nèi)力均與設(shè)備的自振周期和振型有關(guān)，因此模態(tài)分析是對含氧疏水廢氣罐進(jìn)行抗震計算的基礎(chǔ)。對支座上4 個直徑為26 mm 的螺栓孔內(nèi)表面進(jìn)行全自由度約束，施加載荷并求解，可獲得設(shè)備的固有頻率，地震載荷只考慮模型的一階基本振型與固有頻率的影響，一階振型如圖3所示，可以看出一階固有頻率為22 Hz。

3 確定地震加速度

本文采用反應(yīng)譜理論來計算地震載荷對含氧疏水廢氣罐的影響，該方法的優(yōu)點是對模型進(jìn)行簡化，求出在地震期間的最大反應(yīng)值作為載荷施加在結(jié)構(gòu)上做靜力分析。反應(yīng)譜理論雖然采用靜力分析的方法來研究動載荷問題，但是考慮了設(shè)備本身的振型與固有振動周期的影響，在設(shè)計和分析的應(yīng)用上帶來了很多方便。

根據(jù)含氧疏水廢氣罐所在廠房和樓層，只考慮一階振型的影響，查福建福清現(xiàn)場的廠房樓層反應(yīng)譜數(shù)據(jù)可知，在設(shè)備安裝標(biāo)高處OBE 水平方向加速度為（插值法）：ax=0.597g，ay=0.657g；豎直方向加速度為：az=1.648g。

4 約束和邊界條件

位移邊界條件：在支架的4 個螺栓孔處施加固定約束。

力邊界條件：設(shè)備承受重力、地震載荷及外壓的共同作用，設(shè)備總質(zhì)量為244 kg，在設(shè)備重心處x、y、z 3個方向各施加相應(yīng)的地震加速度，同時設(shè)備承受-0.1 MPa 的外壓。

圖4 地震載荷下的應(yīng)力分布

5 計算結(jié)果

5.1 應(yīng)力和位移結(jié)果

如圖4～圖6 所示，計算中所得最大應(yīng)力沒有超過21 MPa，其許用值為120 MPa，不需要進(jìn)行應(yīng)力線性化，設(shè)備最大變形量為0.07 mm，因此局部應(yīng)力滿足強度要求［2］。含氧疏水廢氣罐應(yīng)力較大的部位主要分布在支架處及支架與筒體連接處，最大應(yīng)力發(fā)生在支架的4 個螺栓孔處，因此需要對支架進(jìn)行強度校核，提取螺栓孔處的受力情況，計算膨脹螺栓的規(guī)格是否滿足需求。

5.2 膨脹螺栓校核

膨脹螺栓規(guī)格M16，查表得，該規(guī)格膨脹螺栓的許用剪力為FC=21 400 N，許用拉力為FT=16 500 N。

提取支座4 個膨脹螺栓孔處的受力分別為：

（1）FX=-778.19 N，F(xiàn)Y=-283.56 N，F(xiàn)Z=-438.86 N；（2）FX=-714.8 N，F(xiàn)Y=-20.332 N，F(xiàn)Z=-513.19 N；（3）FX=1 122.8 N，F(xiàn)Y=352.7 N，F(xiàn)Z=-434.83 N；（4）FX=485.75 N，F(xiàn)Y=78.41 N，F(xiàn)Z=-494.02 N；

膨脹螺栓許用剪力FC＞螺栓所受剪力FZ，膨脹螺栓許用拉力FT＞螺栓所受拉力FY；組合應(yīng)力，滿足要求，因此可以采用該規(guī)格的膨脹螺栓。

圖5 應(yīng)力最大部位

圖6 在地震載荷下的位移分布

6 結(jié)論

本文以機械設(shè)備中典型儲罐結(jié)構(gòu)的含氧疏水廢氣罐為例，利用ANSYS 軟件對設(shè)備進(jìn)行參數(shù)化建模并進(jìn)行了模態(tài)分析和靜力學(xué)分析，用來計算其在地震載荷下的強度是否滿足需求。對于儲罐設(shè)備，其主要結(jié)構(gòu)是由筒體、封頭、接管和支座等結(jié)構(gòu)組合而成，在結(jié)構(gòu)上有很大的相似性，本文的參數(shù)化分析方法為相似結(jié)構(gòu)的容器類設(shè)備進(jìn)行抗震計算提供了依據(jù)，可以提高分析工作的效率，為設(shè)計和優(yōu)化模型提供了方便可行的實現(xiàn)方法，為機械類人員解決對類似儲罐的設(shè)計提供了借鑒［3］。

［1］余偉煒，高炳軍，陳洪軍.ANSYS 在機械與化工裝備中的應(yīng)用M］.2 版.北京：中國水利水電出版社，2007.

［2］JB4732-1995 鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

［3］馬宇山，金濤.基于ANSYS 的塔設(shè)備地震與風(fēng)載分析［J］.制造業(yè)自動化，2010（1）：1-5.