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大型原油儲罐的強度有限元分析

發布于:2021-02-08 19:28
有限元分析

       某石化公司引進的兩座12.5xl5m3外浮頂式原油儲罐,是我國目前容量最大的原油儲罐。由于國內尚無該類型原油儲罐的運行經驗,對其結構強度也了解甚少,一旦這類大型儲罐因強度不足發生故障,必將造成巨大的經濟損失。因此,為了全面了解該類型原油儲罐的強度特性,做好其罐體投用的技術鑒定和資料整理并為該類罐體設備的國產化打下基礎,現采用ANSYS軟件 (國際通用有限元分析軟件)和有限元分析設計測評法,著重對其中一座大型儲罐進行了各部位的應力分析和安全性評價。
       由圖可以看出,該儲罐內徑為90m,高22m,罐底邊緣板材料為SPV490Q鋼(日本牌號,材料性能與中國牌號07MnCrVR相同),厚21mm,罐底中幅板材料為Q235A鋼,厚12mm。自下向上的第一至第五圈罐壁材料為SPV490Q,厚度依次為36.5mm、28mm、22.5mm、18mm和13.5mm;第六圈罐壁材料為16MnR鋼,厚12mm;第七、八圈罐壁材料為Q235C鋼,厚度為12mm。在第七、八圈罐壁處焊有兩圈抗風圈,在第五、六、七圈罐壁焊有中間加強圈。儲罐基礎為混凝土環墻十回填沙,回填沙的彈性模量為17.5MPa,混凝土環墻彈性模量為28000MPa。常溫下鋼材的物理性能見表,材料的常溫力學性能見表。
       對于大型原油儲罐,水壓試驗比正常的儲油工況更危險,為此,現進行水壓試驗時儲罐的強度分析。12.5x10m3外浮頂式原油儲罐最高設計液位為20.5m,在這種工況下圓筒形罐壁主要承受的是呈三角形分布、由上至下逐漸增大的儲液靜壓力和儲罐及附件的自重兩部分載荷。
       由于儲罐結構及承受載荷均為軸對稱,因此可以采用軸對稱的方法建立模型。取縱向剖面的一半進行分析。由于厚度尺寸相對于儲罐整體尺寸小,因此,在圖中壁厚截面呈現為一條線。選用二維平面單元類型Plane183對模型進行網格劃分,共劃分了17478個單元,共包含64214個節點。儲罐的有限元模型罐體各部分材料的密度及彈性模量幾乎完全相等,彈性模量為21000MPa,泊松比為0.3,密度為7550kg/m3。
       儲罐為軸對稱結構,在圖中以x=0的罐底剖面(對稱面)施加對稱約束。儲罐基礎為混凝土環墻+回填沙,由圖可以看出,罐底邊緣板的外邊緣支撐在混凝土環墻上,而邊緣板的內邊緣以及中幅板則正撐在回填沙上。為了模擬這種基礎支撐,在罐底邊緣板外邊緣的下端添加一彈性模量為28000MPa的彈性體(等于混凝土環墻的彈性模量);在中幅板及邊緣板內圈支撐在回填沙上的邊緣板底部,添加一彈性模量為17.5MPa的彈性體。
       兩種彈性體的厚度均為0mm(如果中幅板及邊緣板在y方向的位移大于此厚度,則需重新設定),在兩塊彈性體的底邊y方向(豎直方向)上的位移約束為0。
       對整個模型施加y負方向的重力加速度(g取9.8)時,大型儲罐的圓筒形罐壁承受著按三角形分布、由上至下逐漸增大的儲液靜壓(見圖中在側壁施加線性分布的壓力)。由于水的密度1000kg/m,所以得到距離液面高度(h)的罐側壁承受的儲液壓力(P)為:已知液面高度為20.5m,液壓由液面(0)至罐底(0.198MPa)呈三角形狀線性增加,所以計算式求得罐底部承受的液壓均為0.198MPa。
       由圖可以看出,第一圈罐外壁,隨著罐壁高度的增加,環向應力也隨之增加,高度約為3.001m時環向應力達到最大,約為241MPa。對于第二圈罐壁,隨高度的增加,環向應力先略有增加,然后下降。對于第三、第四圈罐壁,環向應力隨高度增加繼續緩慢降低。從圖中也可以直觀地看出,各圈罐壁的環向應力均小于該圈罐壁材料的許用應力值,特別是第六圈罐壁有較大安全裕度。


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