某公司的1500m3液化石油气球罐采用四带混合式布片结构，主体材料为16MnR。球罐简图如图1所示。该球罐1998年1月建成投入使用，1999年进行了第一次开罐检验，在赤道环焊缝内表面发现数十条裂纹，打磨消除后投入使用。2002年9月第二次开罐检验时在赤道环焊缝内外表面发现有数百条细小裂纹，其它位置无裂纹。由于赤道环焊缝距支柱顶部仅300mm左右，因此怀疑裂纹产生与球罐的局部应力有关。为了分析应力对裂纹产生的影响，对该球罐进行了应力有限元分析。
       计算中考虑介质设计压力、重量和球壳板自身重量，不考虑腐蚀裕量、风载荷和地震载荷。模型中忽略各位置角焊缝以及赤道环焊缝的余高(焊缝余高在局部计算分析时再考虑)。
       根据结构的对称性，取设备的1/24采用三维实体模型进行分析。模型中约束了支柱与拉杆下部所有自由度，约束球壳板、支柱剖切面的非对称位移。采用ANSYS软件5.6版进行分析，单元选用ANSYS 10节点SOLID92实体元，对拉杆采用只能受拉不能受压的LINK10单元模拟。网格划分时对赤道环焊缝位置、支柱盖与球壳板连接位置、托板与球壳板连接位置、支柱与球壳板相贯位置网格均进行了细化。整个模型单元数量为121107个，其中SOL-ID92单元121103个，LINK10单元4个。整个模型节点数量为230697个，自由度数(方程数)为692091个。其计算模型见图，模型中各种参数见表。图中给出了支柱附近内外表面应力强度(TRESCA＊2相当应力)的分布图。
　　给出了赤道环焊缝内外表面沿焊缝纵向的各种应力分布曲线。图4中横坐标为距支柱中心位置的弧线距离(mm)，纵坐标为应力大小(MPa)，其中SX为X方向应力，SY为Y方向应力，S1为最大主应力，SINT为应力强度，SEQV为MISES相当应力。
       (a)　内表面应力分布
       (b)　外表面应力分布
　　从图可看出，在支柱上方赤道环焊缝内表面左右各300～1000mm范围内存在相对较大的应力，这与球罐严重裂纹缺陷的位置基本吻合，说明应力在裂纹的形成和扩展过程中起到相当的作用。对球罐的应力较高位置，如支柱托板和球壳板连接位置、支柱盖与球壳板连接位置等，按照JB4732-95《钢制压力容器分析设计标准》进行评定，均满足要求，在此从略。
       赤道环焊缝采用横焊施焊，在焊接后没有进行打磨圆滑处理，因此外观成型较差，从而带来较大的应力集中。检验结果显示，赤道环焊缝内表面裂纹绝大多数出现在下熔合线位置，而焊缝外表面裂纹绝大多数分布在上下熔合线和外表面焊道之间，裂纹走向与焊缝/焊道平行因此研究焊缝应力集中系数对分析裂纹产生和扩展均具有重要意义。熔合线位置过渡圆角分别用r=1、0.5、0.15mm进行模拟。计算结果表明：
       (1)采用大平板单向拉伸可以较准确地模拟实际结构的应力集中现象；
       (2)单向拉伸和纯弯曲分析得出的应力集中系数相差不大；
       (3)90°余高角单向拉伸作用，当熔合线过渡圆角为1.0mm、0.5mm、0.15mm时的应力集中系数分别为2.0、2.22、4.8，与文献提供的应力集中系数曲线(见图)相比，过渡圆角为0.5mm时，计算结果基本一致；但过渡圆角为0.15mm时，两者相差较大，且文献值偏低；
       (4)在设计条件下，若取焊缝位置的薄膜应力为150MPa，当熔合线过渡位置很尖锐(r=0.15mm)时，应力水平可高达720MPa，远远超出了材料的屈服强度和抗拉强度。由于塑性流动，应力水平不可能这样高。但在熔合线位置，材料性能差，塑性储备低，所以仅因应力就产生开裂是可能的，若已经存在裂纹或类裂纹缺陷，这些缺陷扩展是必然的。
       (1)整体应力分析表明，球罐设计满足强度条件。但高应力区域与现场严重裂纹缺陷位置非常吻合，这证明将焊缝布置在应力较高的位置是产生缺陷的外部因素之一。
       (2)应力集中系数分析表明，由于应力高出其它位置不多于球罐焊缝没有进行圆滑打磨，会造成很大的应力集中，特别是对横焊焊缝成型较差的位置。高应力水平在某些位置可能造成开裂或裂纹/类裂纹缺陷的扩展。
       (3)应力因素是造成裂纹形成或扩展的外部因素，是不是主要因素，尚需进一步论证。

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