储罐碟形封头应力有限元研析

付红栓 李赵

【摘要】储罐主要就是用来储备一些气体亦或者液体原料以及成品的专门储备容器，储罐工程主要就是消防类、粮食类、化工类以及柴油、石油类型的行业领域中的基本设备设施，近几年来，我国因为储罐爆炸所发生的事故数不胜数，成为了化工厂中安全保障较低的区域之一。基于此，本文针对储罐碟形封头应力有限元研析进行简要分析并阐述，以下仅供参考。

【关键词】储罐；蝶形封头应力；有限元研究

【引言】储罐具体的说就是一些储备液体以及气体的密封容器，其涉及种类较多，在交通、石油以及国防领域中都起到了一定促进作用，因此，储罐设计的安全性就显得非常的重要。因此储罐需要长期承受内部压力，在根本意义上也属于高压力容易的一种，结构中的各个区域在承受内压时，就会顺势前往高压力区域，在次区域内，内部的构造以及形状是非常复杂的，无法进行准确的求解，因此，通过有限元法来进行计算是合适的，同时，在计算的过程中，针对轴对称压力容器在内部受到挤压时所产生变形特征。

1. 有限元法的计算方式

有限元法主要就是将复杂的问题转换成简单的问题之后在进行求解，它将求解步骤分为一个个名称为有限元的互连子域，从而对其中的假设单元进行近似解，然后在通过一系列的推导求着这个领域中的条件，从而顺利解答问题，有限元法主要就是将函数定义转移到几何形状中的单元区域上，不考虑定义域中的大调解，仅限于相似在小分子区域中。利用有限元计算法的前提是要建立在有限元模型上面，对单元自中的网格进行分类、归纳；其次，就是模型数据的处理方式；最后是，对所收集的结果进行分析，从大量的数据，提炼出有价值的信息，从而完成计算的结果，同时在计算的过程务必保证数据是准确性，否则会因为计算结果是失效，造成非常严重的损失，亦或者是人员的安全问题^[1]。

2. 储备模型的构建

储罐的组成大部分是圆筒形和碟形封头组成，碟形封头主要是边上有折的球面封头，有半径Ri的球半体，也有半径为r的过度换壳以及短圆筒等三个主要部分组成的。碟形封头是特点就是在几何的尺寸中，不能连续的进行曲面，主要是停留在经线区域中的两个曲面相连接的中点嗲，存在一定的边缘弯曲支撑力，因此，这个地方也是最容易因为压力的原因而受到挤压从而变形损坏的。根据调查发现，想要全面了解单元模型的特点以及自由程度和使用要求，应当结合储罐中比较容易出现的问题，为其挑选最为恰当的单元类型；其次，就是实体是模型应当沿着厚度方向的外壁进行取点，但是，如果采用自由划分的话无法精准掌握厚壁方向的中心点，对此，在划分过程中可以采用映射体网格划分发，进行精准划分，从而取出中心值。最后，根据储罐碟形封头容器的结构特征，对碟形封头容器的危险几率进行一个预估以及分析。主要参考为，实体模式的建立方式以及网格的划分点和所设定的边界条件在加上载荷进行准确的计算。

3. 应力实践分析

通过实践分析可以得出，储罐筒体的内壁与外壁存在着一定的差异性，出现了很多个应力区，主要分布在：碟形封头中心区域，碟形封头大小圆弧的交界处以及碟形封头圆弧中的过度阶段。其中必要突出的应力点主要是在碟形圆弧的过度短，因为集中受到压力，导致有非常严重的变形，而在碟形封头的大小圆弧阶段的交界处，因为所承受的应力值较高，所以出现非常严重的变形。在制定路径实际的分析中会发现，碟形封头处于中心附近所得出的曲线入，能够得出：如果内壁与外壁的方向不同，那么该路径就是封头中心附近的厚度方向，沿着壁度较厚的方向进行环绕，应力值并没有什么变化，这就说明了处在碟形封头的中心区域的应力值较弱^[2]；其次，在碟形内壁中进行薄膜应力值，在加上弯曲应力的强度，感受正值以及负值之间存在的变化，从而得出封头钢板中因为内部所受到的拉伸而导致外壁受压、变形；最后，环向应力大于应力值，这就说明了轴向应力能够在不同程度上加强对环向引力的作用，导致轴向应力被控制，环向应力成为了控制当中的主要因素，外壁的受力因为封头中心附近的地应力而过度到较高的应力。从客观的角度对碟形封头圆弧过渡段应力值进行分析，从应力值的高低可以得出，如果内环中出现比较高的应力值，那么应当将其作为威胁来进行考虑，环向应力高于轴向应力时，可得出环向应力为两者之间的控制应力，外壁环向应力及轴向应力方向为正，而内壁则刚好相反，外壁受拉，内壁受压；在轴向应力大于环向应力时，可得出轴向应力为两者之间的控制应力，同时因为应力沿壁中的后方向为负值，因此，路径中内壁外壁受到拉扯，从而导致变形，从这一结论可得出，简体向中间层进行收缩会导致改结构发生改变，收缩变形。同时，在筒体沿厚度方向的应力中能够清楚的看到简体内壁以及外壁受压拉力。根据实践结构分析能够得出，储罐碟形封头在最低值的情况下，储罐简体部分受力良好，变形并不明显；而筒体与封头的链接的地方即圆弧过渡段部分变形很大，最高应力区也是出现在这里，从而达到应力的最大值

^[3]。

4. 结束语

总的来说，碟形封头储罐在内较低的压力作用下 ，应力值主要反映在碟形封头圆弧的过度阶段，封头中心与圆筒体有着受拉应力关系，封头过渡段所存在是压力，会导致压应力容器的保护功能失效，从而发生一系列的问题，因此，在压力容器正常的情况下，圆弧过渡段区域会出现危险点，主要分布在筒体与封头衔接处以及封头大圆弧、小圆弧之间的相交截面上，导致两边区域的应力值没逐渐降低。在变形上面，封头中心由上倒下，由内而外的进行收缩，过渡的圆弧区域大面积的向外突出，导致此区域受到挤压表变形，从而导致安全性能的失效，因此，工作人员应当也别注意此区域，避免事故的发生。

【参考文献】

[1]林树潮,周一君,郭雪源,韩建强.竖向地震动对摩擦摆隔震LNG储罐地震响应的影响[J].特种结构,2020,37(01):72-78.DOI:10.19786/j.tzjg.2020.01.014.

[2]游正飞.储罐碟形封头应力有限元分析[J].当代化工研究,2016(04):105-107.

[3]邵华珠.常压储罐基础碟形沉陷的修复[J].中国新技术新产品,2009(14):118.