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某公司的1500m3液化石油氣球罐采用四帶混合式布片結(jié)構(gòu)，主體材料為16MnR。球罐簡(jiǎn)圖如圖1所示。該球罐1998年1月建成投入使用，1999年進(jìn)行了第一次開罐檢驗(yàn)，在赤道環(huán)焊縫內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)數(shù)十條裂紋，打磨消除后投入使用。2002年9月第二次開罐檢驗(yàn)時(shí)在赤道環(huán)焊縫內(nèi)外表面發(fā)現(xiàn)有數(shù)百條細(xì)小裂紋，其它位置無裂紋。由于赤道環(huán)焊縫距支柱頂部?jī)H300mm左右，因此懷疑裂紋產(chǎn)生與球罐的局部應(yīng)力有關(guān)。為了分析應(yīng)力對(duì)裂紋產(chǎn)生的影響，對(duì)該球罐進(jìn)行了應(yīng)力有限元分析。
計(jì)算中考慮介質(zhì)設(shè)計(jì)壓力、重量和球殼板自身重量，不考慮腐蝕裕量、風(fēng)載荷和地震載荷。模型中忽略各位置角焊縫以及赤道環(huán)焊縫的余高(焊縫余高在局部計(jì)算分析時(shí)再考慮)。
根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，取設(shè)備的1/24采用三維實(shí)體模型進(jìn)行分析。模型中約束了支柱與拉桿下部所有自由度，約束球殼板、支柱剖切面的非對(duì)稱位移。采用ANSYS軟件5.6版進(jìn)行分析，單元選用ANSYS 10節(jié)點(diǎn)SOLID92實(shí)體元，對(duì)拉桿采用只能受拉不能受壓的LINK10單元模擬。網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)赤道環(huán)焊縫位置、支柱蓋與球殼板連接位置、托板與球殼板連接位置、支柱與球殼板相貫位置網(wǎng)格均進(jìn)行了細(xì)化。整個(gè)模型單元數(shù)量為121107個(gè)，其中SOL-ID92單元121103個(gè)，LINK10單元4個(gè)。整個(gè)模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量為230697個(gè)，自由度數(shù)(方程數(shù))為692091個(gè)。其計(jì)算模型見圖，模型中各種參數(shù)見表。圖中給出了支柱附近內(nèi)外表面應(yīng)力強(qiáng)度(TRESCA＊2相當(dāng)應(yīng)力)的分布圖。
給出了赤道環(huán)焊縫內(nèi)外表面沿焊縫縱向的各種應(yīng)力分布曲線。圖4中橫坐標(biāo)為距支柱中心位置的弧線距離(mm)，縱坐標(biāo)為應(yīng)力大小(MPa)，其中SX為X方向應(yīng)力，SY為Y方向應(yīng)力，S1為最大主應(yīng)力，SINT為應(yīng)力強(qiáng)度，SEQV為MISES相當(dāng)應(yīng)力。
(a) 內(nèi)表面應(yīng)力分布
(b) 外表面應(yīng)力分布
從圖可看出，在支柱上方赤道環(huán)焊縫內(nèi)表面左右各300～1000mm范圍內(nèi)存在相對(duì)較大的應(yīng)力，這與球罐嚴(yán)重裂紋缺陷的位置基本吻合，說明應(yīng)力在裂紋的形成和擴(kuò)展過程中起到相當(dāng)?shù)淖饔谩?duì)球罐的應(yīng)力較高位置，如支柱托板和球殼板連接位置、支柱蓋與球殼板連接位置等，按照J(rèn)B4732-95《鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行評(píng)定，均滿足要求，在此從略。
赤道環(huán)焊縫采用橫焊施焊，在焊接后沒有進(jìn)行打磨圓滑處理，因此外觀成型較差，從而帶來較大的應(yīng)力集中。檢驗(yàn)結(jié)果顯示，赤道環(huán)焊縫內(nèi)表面裂紋絕大多數(shù)出現(xiàn)在下熔合線位置，而焊縫外表面裂紋絕大多數(shù)分布在上下熔合線和外表面焊道之間，裂紋走向與焊縫/焊道平行因此研究焊縫應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)分析裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展均具有重要意義。熔合線位置過渡圓角分別用r=1、0.5、0.15mm進(jìn)行模擬。計(jì)算結(jié)果表明：
(1)采用大平板單向拉伸可以較準(zhǔn)確地模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象；
(2)單向拉伸和純彎曲分析得出的應(yīng)力集中系數(shù)相差不大；
(3)90°余高角單向拉伸作用，當(dāng)熔合線過渡圓角為1.0mm、0.5mm、0.15mm時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.0、2.22、4.8，與文獻(xiàn)提供的應(yīng)力集中系數(shù)曲線(見圖)相比，過渡圓角為0.5mm時(shí)，計(jì)算結(jié)果基本一致；但過渡圓角為0.15mm時(shí)，兩者相差較大，且文獻(xiàn)值偏低；
(4)在設(shè)計(jì)條件下，若取焊縫位置的薄膜應(yīng)力為150MPa，當(dāng)熔合線過渡位置很尖銳(r=0.15mm)時(shí)，應(yīng)力水平可高達(dá)720MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。由于塑性流動(dòng)，應(yīng)力水平不可能這樣高。但在熔合線位置，材料性能差，塑性儲(chǔ)備低，所以僅因應(yīng)力就產(chǎn)生開裂是可能的，若已經(jīng)存在裂紋或類裂紋缺陷，這些缺陷擴(kuò)展是必然的。
(1)整體應(yīng)力分析表明，球罐設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度條件。但高應(yīng)力區(qū)域與現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)重裂紋缺陷位置非常吻合，這證明將焊縫布置在應(yīng)力較高的位置是產(chǎn)生缺陷的外部因素之一。
(2)應(yīng)力集中系數(shù)分析表明，由于應(yīng)力高出其它位置不多于球罐焊縫沒有進(jìn)行圓滑打磨，會(huì)造成很大的應(yīng)力集中，特別是對(duì)橫焊焊縫成型較差的位置。高應(yīng)力水平在某些位置可能造成開裂或裂紋/類裂紋缺陷的擴(kuò)展。
(3)應(yīng)力因素是造成裂紋形成或擴(kuò)展的外部因素，是不是主要因素，尚需進(jìn)一步論證。
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