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大型原油儲罐的有限元分析

文檔作者：劉濤沈士明文檔來源：南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月08日
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第3期
2010年3月
機(jī)械設(shè)計(jì)與制造
Machinery Design &amp;amp; Manufacture 4l
文章編號：1001—3997(2010)03—0041—02
大型原油儲罐的有限元分析 ：l：
劉濤沈士明
(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京210009)
Finite element analysis for large—scale oiI tank
LIU Tao，SHEN Shi-ming
(College of Mechanical&amp;amp;Power Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 2 10009，China)
l 【摘要】10萬m 儲罐在原油儲備中應(yīng)用越來越廣泛，其強(qiáng)度安全要求顯得更重要。通過有限元軟l
l件ANSYS，對水壓試驗(yàn)工況下的10萬m。大型外浮頂式原油儲罐進(jìn)行了分析，獲得了儲罐各部位的應(yīng)力l
i分布情況，用分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對主要部位進(jìn)行了應(yīng)力評定并確定了關(guān)鍵部位，強(qiáng)度評定的結(jié)果表明，在最高；
i 關(guān)鍵詞：原油儲罐；有限元法；應(yīng)力分析；評定 i
l 【Abstract】The 100，000 m tanks were used widely in thefield ofcrude oil storage，and their inten—l
l s c to more important．Finite element softwol'e ANSYS WaS adopted to analyze the 100，000m large-l
l scalefloating crude oil tank with the topmost hydraulic state，and the stress distribution ofallparts ofthe I
一 拈? 一
a tng to t
引 一
中圖分類號：TH12，O241．82 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
1引言
隨著生產(chǎn)的需要和我國石油戰(zhàn)略儲備計(jì)劃的實(shí)施，油罐的體
積越來越大，我國新建和正在建設(shè)的石油儲備基地大都采用10
萬m，的大型原油儲罐。這類壓力容器的特點(diǎn)是體積大，罐壁厚度
等大都采用等強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)的，罐壁由不等厚的壁板對
焊而成，壁板與底板采用T型焊連接，其連接部位大角焊縫的應(yīng)
力狀態(tài)較為復(fù)雜，一旦失效將造成極大的經(jīng)濟(jì)損失l】1。采用基于基
礎(chǔ)沉降量的建模法，通過ANSYS有限元分析軟件對承受水壓工況
下的10萬m 大型儲罐進(jìn)行了分析，獲得了儲罐各部位的應(yīng)力分
布狀況，確定了儲罐最危險(xiǎn)的部位是大角焊縫焊趾處，并用分析
設(shè)計(jì)測評法對底層壁板和邊緣板等關(guān)鍵部位進(jìn)行了強(qiáng)度評定。
2儲罐的結(jié)構(gòu)參數(shù)
10萬m，外浮頂式原油儲罐為圓筒形容器，內(nèi)徑80m，總高
度21．8m。罐壁由9圈不等厚度的壁板對焊而成，采用等強(qiáng)度設(shè)
計(jì)的，罐壁材料與幾何參數(shù)，如表1所示。
表1罐壁材料與幾何參數(shù)
頂部為雙盤式外浮頂結(jié)構(gòu)，底板由邊緣板和中幅板對焊而
成，罐壁壁板與底板邊緣板采用T型焊接結(jié)構(gòu)，邊緣板相對于罐
壁外伸長度為0．1m。罐底邊緣板材料為SPV490Q鋼，厚度
2hnm，罐底中幅板材料為Q235一B鋼，厚度1lmm。罐體與地基材
料常溫下性能參數(shù)，如表2所示。儲罐最高儲液位為20．2m，罐體
以非錨固形式擱置在鋼筋混凝土環(huán)梁基礎(chǔ)上。
表2材料性能參數(shù)
鋼材彈性模量／GPa 2l0
0-3
7850
490
O_2
1000
鋼材泊松比
鋼材密度／kg·131
鋼材初屈服應(yīng)力o-}MPa
地基泊松比”
水密度／kg·Ⅱr]
3罐體有限元分析
3．1有限元模型
儲罐結(jié)構(gòu)及承受載荷者 橢牲，可采用二維軸 寸幣 漠型目。
罐一土間的耦合作用是大型儲罐有限元建模的難點(diǎn)，考慮到文獻(xiàn)喂
出的基于沉降量的有限元建模法，比彈簧桿單元法和接觸單元法模
擬底板應(yīng)力時(shí)有更高精確度，采用基于沉降量的有限元建模法。
大型儲罐的地基由鋼筋混凝土環(huán)梁(簡稱剛性地基)與彈性
砂地基(簡稱彈性地基)兩部分組成。在液柱靜壓和罐體自重作用
下，因剛性地基比彈性地基的彈性模量E大，擱置在兩種地基上
的罐底板將發(fā)生不同的沉降量，使得底板在兩者地基連接處發(fā)生
彎曲變形。據(jù)某單位檢測某10萬立方米油罐水壓試驗(yàn)時(shí)的地基
沉降量為19．75mm，根據(jù)Winkler彈性地基假定中彈性四面體單
元的彈性模量E與地基沉降量差值厶的關(guān)系式(1)，計(jì)算出彈
★來稿日期：2009—05—12 "-k基金項(xiàng)目：中國石油化工股份有限公司科技開發(fā)項(xiàng)目(306005)
42 劉濤等：大型原油儲罐的有限元分析 第3期
性四面體單元的彈性彈性模量E。，MPa。采用ANSYS軟件建立有
限元模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分了19196個(gè)單元。
E =pl／As (】)
式中：p一由在液柱靜壓和罐體自重兩部分組成的壓力，MPa；
z一彈性四面體單元厚度，一般取鋼筋混凝土的深度，mm；
一地基沉降量差值，mm。
3．2邊界條件與載荷
水壓試驗(yàn)時(shí)儲罐載荷主要由兩部分組成，為水柱靜壓力和罐
體自重。對整個(gè)模型施加Y負(fù)方向上的重力加速度g，在罐壁上
施加線性分布的水靜壓，罐壁承受的液柱靜壓為公式(2)，液面高
度按最高儲液位計(jì)算，即20．2m。由公式(2)計(jì)算得出，在罐底板
施加水的靜壓力為197．96kPa。
po=pg(h-y ) (2)
式中：po一罐壁承受的液柱靜壓力，Pa； 一最高儲液位高度，取
20．2m；y 一實(shí)際液柱高度坐標(biāo)，m；p一水的密度，kg·m。。
4計(jì)算結(jié)果分析
4．1壁板應(yīng)力分析
4．1．1罐壁環(huán)向應(yīng)力分析
罐壁內(nèi)外表面環(huán)向應(yīng)力的分布曲線，如圖1所示。
一lUU -50 0 5U lUU l U 200 250 3UU
油罐側(cè)壁環(huán)向應(yīng)力(MPa)
圖1罐壁內(nèi)外表面環(huán)向應(yīng)力分布
4．1‘2罐壁軸向應(yīng)力分析
罐壁內(nèi)外表面軸向應(yīng)力的分布曲線，如圖2所示。圖2中罐
壁內(nèi)外表面的所受的軸向應(yīng)力大體呈對稱分布，且主要分布在第
一圈壁板上。罐壁內(nèi)表面隨高度的增加，軸向先受拉應(yīng)力，隨后迅
速下降到零，之后又變?yōu)槭軌?，從第二圈壁板開始軸向應(yīng)力波動(dòng)
減小，直至為零。罐壁外表面隨著高度的增加則先受壓應(yīng)力，后變
為拉應(yīng)力，如此反復(fù)波動(dòng)直至最終減為零。在大角焊縫側(cè)壁焊趾
處，存在應(yīng)力集中，內(nèi)壁承受軸向拉應(yīng)力，最大為225．67MPa；外
壁承受軸向壓應(yīng)力，最大為(一202．34)MPa。
呂
一
惶
辨
是
一300 -200 一l00 0 l00 200 3UU
油罐側(cè)壁軸向應(yīng)力(MPa)
圖2罐壁內(nèi)外表面軸向應(yīng)力分布
4．2罐底板應(yīng)力分析
4．2．1大角焊縫應(yīng)力分析
如圖3所示，底板應(yīng)力分布的有限元計(jì)算云圖。由圖3可知，
儲罐最大應(yīng)力出現(xiàn)在罐底板與壁板連接的大角焊縫處，焊趾處最大
應(yīng)力為值455MPa。由于兩種地基的彈陛模量有差異，在液壓和罐
體自重作用，兩種地基沉降量不同，導(dǎo)致罐底板翹起變形情況，罐底
板下表面受徑向壓應(yīng)力，上表面受徑向拉應(yīng)力，如圖3所示。AN—
SYS有限元分析結(jié)果表明，大角
圖3罐底板應(yīng)力分布云圖
4．2．2邊緣板徑向應(yīng)力分析
罐底邊緣板上表面徑向應(yīng)力分布曲線，如圖4所示。
一500
— 400
300
200
100
蓮 。
l00
0．0 0．5 1．0 l 5 2．0
距邊緣外側(cè)徑向距離(m)
圖4罐底邊緣板徑向應(yīng)力分布
5強(qiáng)度評定
根據(jù)JB4732—1995(鋼制壓力容器～分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，對儲罐
應(yīng)力進(jìn)行評定。常溫下罐體鋼材得到力學(xué)性能，如表3所示。設(shè)計(jì)
應(yīng)力強(qiáng)度參照文獻(xiàn) ，計(jì)算結(jié)果也列入表3。根據(jù)JB4732規(guī)定，液
壓試驗(yàn)條件下，當(dāng)評定點(diǎn)同時(shí)滿足式(3)、(4)時(shí)，應(yīng)力校核合格。
表3常溫下罐體鋼材力學(xué)性能
I 1．25 (3)
SⅢ 1．87~S (4)
式中：5I一薄膜應(yīng)力強(qiáng)度；sⅢ一薄膜應(yīng)力強(qiáng)度+彎曲應(yīng)力強(qiáng)度；
Ls 一罐壁材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度。
5．1壁板強(qiáng)度評定
第一圈壁板的內(nèi)外表面三向應(yīng)力(環(huán)向、軸向、徑向)均較大，
故采用分析設(shè)計(jì)的方法將第一圈壁板(大角焊縫在壁板焊趾處的
截面)進(jìn)行應(yīng)力分類，得到內(nèi)表面s I為160．9MPa，SⅢ為
225．6MPa。外表面S I為1 60．9MPa，SⅢ為96．2MPa。將SPV490Q鋼
的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度值代入上述JB4732應(yīng)力校核式，顯然滿足要求。
對第一圈壁板上其它截面各點(diǎn)也采用類似的方法校核，結(jié)果均滿
足要求。這表明第一圈壁板是安全的。
第二圈至第六圈壁板的環(huán)向應(yīng)力均大于軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)
加 H 加 642O
一 一 恒剖蕈躐舞
第3期
2010年3月
機(jī)械設(shè)計(jì)與制造
Machinery Design &amp;amp; Manufacture 43
文章編號：1001—3997(2010)03—0043—03
制冷裝置蒸發(fā)器異型管板設(shè)計(jì)研究
鄭麗娜賀小華
(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京210009)
Research on the design of shaped tubesheet for evaporator in refrigeration plant
ZHENG Li—Ha，HE Xiao—hua
(College of Mechanical and Power Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 2 1 0009，China)
l 【摘要】制冷裝置用蒸發(fā)器異型管板有其結(jié)構(gòu)和使用條件的特殊性，不宜采用GB151—1999{管殼l
{式換熱器》進(jìn)行管板設(shè)計(jì)計(jì)算，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中管板厚度公式考慮因素較少，且得出的厚度較薄。通過全參數(shù){
l的有限元數(shù)值模擬，獲得了一系列數(shù)據(jù)，分析了管板中應(yīng)力與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。利用數(shù)據(jù)擬合技術(shù)，獲得l
； 了異型管板的設(shè)計(jì)方法。 ；
j 關(guān)鍵詞：蒸發(fā)器；異型管板；有限元；數(shù)據(jù)擬合；設(shè)計(jì)方法 j．
1 【Abstract】Because of the patticularity of the structure and running condition of the shaped l
；tubesheetfor evaporator in refrigeration plant，the method ofGB151—1999

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