用PVELITE做间接空冷埋地水箱的应力分析

杜守亮

摘 要：与普通水箱相比。埋地水箱结构复杂受力因素多，很难手工精确计算，在解决埋地水箱外压计算和建模难题后。采用PVELITE软件进行应力计算，能够准确计算出水箱的强度，为埋地水箱合理化设计提供保障。

关键词：间接空冷；地下水箱；应力分析；PVELITE

中图分类号：TG172.5 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）09-0051-02

埋地水箱是间接空冷系统必备的大型容器，埋在冻土层以下土壤里，受到土壤的作用力，因此地下水箱的设计不仅要考虑内压、还要考虑土壤施加的外压。PVELITE软件基于容器设计标准，采用Zick分析方法，具有图形数字界面、操作简单易行的特点，能够对容器的外压壳体壁厚和加强圈进行计算，能够对筒体、封头、加强圈、管口、法兰提供详细分析，输出完整的应力分析报告。

1 确定埋地水箱外压

应用PVELITE软件计算分析地下水箱应力，首先要确定水箱的外压。如果把广阔的连续的土壤看成一种密度均匀的物质，那么根据弹性理论，在连续均匀的物体内，任一点的垂直面和水平面上只有垂直应力pv（这个应力是在重力作用下产生的），没有切应力。此时的应力大小等于土壤密度和土壤深度的乘积（pv=р*H）。当水箱埋入土壤中时，水箱在土壤重力作用下会产生侧向力，在竖直面内沿水平方向分布，属于衍生力，记作ph，参见文献[1]。ph=K*pv，K代表土壤系数，不同土壤取值不一样，碎石土系数取0.18-0.25，沙土系数取0.25-0.33，黏土系数取0.33-0.42。

水箱半径为R，以圆心为坐标原点，水箱表面任意某点A的外压记作p，p方向指向原点。对A点做受力分析，取过水箱表面A点附近任意一段微量长度l，则长度l范围内力Fl=p*l，因为Fl是由pv和ph共同作用产生的，所以把pv和ph矢量化求和，得到pv*sinθ*l+ph*cosθ*l，即：p=pv*sinθ+ph*cosθ。

2 建模分析前的准备工作

（1）该项目埋地水箱设计条件：以地面做零米标高，水箱被埋在地面以下负3.5m，冻土层深度从地面零米到地下负1.2m区间。水箱外径3.54m，壁厚20mm，长度9m，筒体本身开有人孔、仪表孔、普通泄水口、紧急泄水口、塔外补水管接口和排气管，筒体两侧为椭圆形封头，如图1所示。水质为除盐水，腐蚀余量按照2mm考虑。设计压力为0.6Mpa，设计温度100℃。间接冷却系统运行时，埋地水箱存水量为筒体和封头总容积的10%，故障或停机时，水箱存水量为筒体和封头总容积的90%，水箱压力试验含水量最高到人孔顶端。（2）设计标准：埋地水箱的设计标准执行GB/T150-2011《压力容器》和JB4732-1995《钢制压力容器分析设计》。（3）埋地水箱应力计算分析采用软件PVELITE：PVELI-TE是容器、换热器等设备进行应力分析的主流软件，能够对容器、换热器等设备进行内、外压计算，特别适合做埋地水箱的外压计算，其操作比ANSYS等有限元分析软件简单，结果可靠。

3 建立埋地水箱模型

在设计参数表中输入的参数有设计内压、设计外压、设计内压对应的设计温度和设计外压对应的设计温度、基础线的定位、压力试验类型和试验位置、容器外表面到法兰密封面距离、容器类型、使用场合、射线检测等级等。

设计内压输入0.6Mpa、设计外压（由上述公式可以算出最大压力出现在距离筒体中心1/3R处，数值为0.1634Mpa，此值作为筒体设计外压）。设计内压对应的设计温度100℃，设计外压对应的设计温度10℃。基准线定位在筒体和左封头交界线上。压力试验类型为液压试验，试验压力（取1.3倍的设计压力，0.78Mpa），要考虑人孔、排气管的液柱静压力，试验位置选卧式。在容器外表面到法兰密封面距离选项中，仪表孔到水箱外表面距离是300mm，人孔到水箱外表面距离是2200mm。容器类型是指水箱的制造形式，选焊接形式，使用场合选用一般场合。射线检测等级根据水箱焊缝的详细类型选择，本项目水箱射线检测最低等级要求为局部射线检测。

PVELITE软件对主体结构建模有次序要求（涉及基准线定位），首先从左封头开始，依次输入筒体、右封头。对于附件没有次序要求，筒体、封头上的人孔、仪表孔和普通泄水口、紧急泄水口、塔外补水管接口、排气管等只要按照尺寸输入即可。其中人孔、仪表孔为法兰接头，其余孔、口、管的末端为钢管接头。

管口设计压力有三个选项：（1）最大允许工作压力与液柱静压头之和，需要先计算零部件的最大允许工作压力，较为繁琐，不建议选用；（2）设计压力与液柱静压头之和，此项不需要考虑最大允许工作压力，较为简洁，本项目选择此项；（3）整体最大允许工作压力，也比较繁琐，一般不选择。软件对管口有自动核算是否增设补强圈功能，因此补强圈可以暂不输入。水箱的钢管与筒体（封头）的焊接类型在在Nozzle模块中可以找到，为全焊透类型。

法兰类型选用整体对焊类型，模型中不仅要输入法兰形状尺寸，还要输入垫片、紧固件、法兰盖的参数。

建模过程中筒体和封头材料为Q235B，选用美标相匹配的低碳钢，泊松比、弹性模量、许用应力等输入Q235B的特性参数，法兰、钢管的材料为20号钢，输入方法同Q235B。

在建模过程中，界面底部会有提示，如果输入不合理，则会有红色提示出现。建模要求严格按照图纸输入零部件尺寸，在检查无误后进入到计算阶段。

4 PVELITE计算及结果分析

（1）工况选择。PVELITE软件在计算的时候要选取计算工况，计算工况有多种，我们只选择符合本项目计算要求的工况组合：空重；内压+操作重量；内压+操作重量+地震；试验压力+实验重量；外压+操作重量；外压+操作重量+地震。（2）计算结果。PVELITE软件根据工况组合計算出水箱的各个工况应力：水箱自重应力、内压应力、外压应力、试验压力引起的应力、地震工况下水平力引起的轴向应力、地震工况下水平力引起的弯曲应力等等。PVELITE软件不仅能够算出水箱各个组件的上述应力，还能算出管口受力是否超标，里面含有WRC107和297公式。本项目水箱计算最大应力出现在地震工况下的水平力引起的弯曲应力，数值为263.1Mpa，位置在紧急泄水管的根部位置，超过许用应力（170Mpa），不合格，调整补强圈和管子壁厚，该弯曲应力下降到157.0Mpa，应力合格，水箱整体计算应力全部合格，强度满足要求。

5 结语

埋地水箱一旦埋入地下，不易取出，因此埋地水箱的设计要确保准确、安全、可靠，且不能大幅度浪费材料。采用PVELITE软件计算水箱强度，能准确验证水箱设计的安全性、合理性，为优化水箱设计提供依据。

参考文献

[1]斐召华.埋地卧式容器的设计计算[J].石油化工设备，2006，35（6）：33-35.

[2]GB/T150-2011.压力容器[S].

[3]JB4732-1995.钢制压力容器设计分析[S].