吳龍平 傅偉慶 劉 毅 明斐卿

（中國石油天然氣管道工程有限公司）（河北石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

20×104m3浮頂油罐用雙盤式浮頂有限元分析

吳龍平*傅偉慶 劉 毅 明斐卿

（中國石油天然氣管道工程有限公司）（河北石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

介紹了浮頂油罐用雙盤式浮頂結(jié)構(gòu)的有限元模型，主要包括浮頂結(jié)構(gòu)單元選取和邊界條件的處理等內(nèi)容。對處于最危險(xiǎn)工況的浮頂進(jìn)行了有限元計(jì)算分析。結(jié)果表明，該20× 104m3浮頂油罐用雙盤式浮頂結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范的相關(guān)要求。

浮頂油罐 雙盤式浮頂 有限元 應(yīng)力分析 壓力容器

0 前言

近幾十年來，儲罐大型化迅速發(fā)展。1962年美國首先建成10×104m3大型浮頂油罐 (D=87 m，H=21 m)；1967年委內(nèi)瑞拉建成了15×104m3浮頂油罐 (D=115 m，H=14.6 m)；1976年，日本建成了16×104m3浮頂油罐 (D=109 m，H=17.8 m)；接著沙特阿拉伯建成了20×104m3巨型浮頂油罐 (D= 110 m，H=22.5 m)[1]。1985年中國從日本引進(jìn)第一臺10×104m3浮頂油罐，到目前已建成10×104m3(D=80 m，H=21.8 m)浮頂油罐近千臺，15×104m3浮頂油罐近30臺。儲罐大型化后，儲罐雙盤式浮頂?shù)膹?qiáng)度及穩(wěn)定性就顯得格外重要。由于大型儲罐雙盤式浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)在 API 650[2]、JIS B 8501[3]、BS EN 14015[4]等相關(guān)儲罐規(guī)范中沒有提供詳細(xì)的設(shè)計(jì)方法，而傳統(tǒng)的浮頂分析方法僅采用工程計(jì)算方法對浮頂?shù)闹饕考M(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性分析，缺乏對浮頂?shù)恼w分析。近十年來，隨著有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是有限元ANSYS軟件的成熟應(yīng)用，對雙盤式浮頂進(jìn)行整體分析成為了可能。為了保證雙盤式浮頂運(yùn)行的安全可靠性，很有必要對雙盤式浮頂進(jìn)行有限元計(jì)算分析，以確定該浮頂是否滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

1 雙盤式浮頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

雙盤式浮頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列要求[5]：

（1）當(dāng)排水管失效時(shí)，浮頂應(yīng)能承受24 h內(nèi)降雨量為250 mm的雨水荷載而不沉沒；對設(shè)置緊急排水設(shè)施的浮頂，可不受此條件限制，但緊急排水設(shè)施的排水能力應(yīng)使浮頂上存留的積水荷載小于浮頂設(shè)計(jì)所允許的積水荷載。

（2）在浮頂上沒有雨荷載和活荷載的情況下，浮頂任意兩個(gè)隔艙同時(shí)泄漏時(shí)，浮頂應(yīng)能漂浮在液面上不沉沒。

（3）在上述兩種情況下，浮頂不發(fā)生強(qiáng)度和穩(wěn)定性破壞。

2 雙盤式浮頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)及有限元模型

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

雙盤式浮頂結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙盤式浮頂結(jié)構(gòu)

雙盤式浮頂直徑D=109 500 mm，浮頂外側(cè)板H1=1020 mm，浮頂中心H2=700 mm，浮頂最低點(diǎn)H3=560 mm；浮頂沿半徑方向分為12份，從內(nèi)到外分別為 1750 mm、5000 mm、5000 mm、5000 mm、5000 mm、5000 mm、5000 mm、5000 mm、5000 mm、5000 mm、4000 mm和4000 mm；浮頂頂板、浮頂?shù)装?、浮頂環(huán)板、浮頂隔板和浮頂加強(qiáng)板選用Q235B，厚度取5 mm；浮頂外側(cè)板選用Q235B，厚度取6 mm；浮頂徑向支撐選用Q235A，選取角鋼規(guī)格為100 mm×10 mm；浮頂環(huán)向支撐選用Q235A，選取角鋼規(guī)格為50 mm×6 mm；浮頂立筋選用Q235A，選取角鋼規(guī)格為50 mm×6 mm。

2.2 單元選取

整個(gè)雙盤式浮頂結(jié)構(gòu)采用殼單元和梁單元進(jìn)行離散。具體方案是：頂板、底板、環(huán)板和隔板采用殼單元；徑向支撐、環(huán)向支撐、立筋和加強(qiáng)板采用梁單元。在加筋板模型中，梁單元與殼單元采用共節(jié)點(diǎn)方式。殼單元選取含有非協(xié)調(diào)自由度的低階單元shell 181，梁單元選取含有非協(xié)調(diào)自由度的低階單元beam 188。

2.3 邊界條件的處理

浮頂?shù)装迳细×Ρ惶幚頌閺椥缘鼗８鶕?jù)彈性地基模型，在底板上每個(gè)節(jié)點(diǎn)都用一個(gè)垂直方向的彈簧支撐（采用Combin 14彈簧單元），其剛度為

式中 g——重力加速度，取為9.81 m/s2；

ρ油——儲存油品的密度；

A——面積，由節(jié)點(diǎn)周圍的單元面積加權(quán)提供。

當(dāng)隔艙泄漏時(shí)，浮頂?shù)装迳舷卤砻嫔系膲毫ο嗷サ窒?，此時(shí)浮頂?shù)装逶瓉淼母×οАＲ虼耍谟?jì)算浮頂?shù)装逑旅娴膹椈蓜偠认禂?shù)時(shí)，不考慮浮頂?shù)装迳系拿娣e對彈簧剛度的影響。

浮頂隔艙承受雨載時(shí)，浮頂頂板必然發(fā)生變形，在求解前無法確定液面的具體位置，只能通過不斷迭代求解得到。具體方法：首先假設(shè)浮頂隔艙不變形，根據(jù)降雨量確定出液面位置，在浮頂頂板上加雨載進(jìn)行求解；在得到浮頂頂板變形后的新位置后，再進(jìn)一步調(diào)整液面位置進(jìn)行加載，如此不斷求解，直到液面位置收斂為止。浮頂及隔艙有限元模型見圖2。

圖2 浮頂及隔艙有限元模型

3 雙盤式浮頂結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算分析

基于有限元分析軟件ANSYS，本文對兩種工況進(jìn)行了應(yīng)力計(jì)算分析：250 mm雨水荷載和任意兩隔艙。圖3～圖16為浮頂在250 mm雨水荷載作用下，浮頂外側(cè)板、浮頂頂板、浮頂?shù)装?、浮頂隔板、浮頂環(huán)板、隔艙徑向支撐、隔艙環(huán)向支撐、浮頂立筋和密封托板的應(yīng)力、位移及轉(zhuǎn)角等情況。圖17～圖19為浮頂最外圈相鄰兩個(gè)隔艙泄漏狀態(tài)下，浮頂外側(cè)板到液面的距離、浮頂外側(cè)板轉(zhuǎn)角及浮頂立筋的等效應(yīng)力。

圖3 浮頂外側(cè)板上緣各節(jié)點(diǎn)到液面的距離

圖4 浮頂外側(cè)板下緣各節(jié)點(diǎn)到液面的距離

圖5 浮頂外側(cè)板下節(jié)點(diǎn)的傾斜角度

3.1 250 mm雨水荷載分析

從圖3、圖4可知，該浮頂滿足抗沉性要求；從圖6、圖7可知，由于雨水荷載流向了浮頂中心處，因此浮頂中心沉降量最大；從圖5可知，浮頂外側(cè)板最大偏移距離為（1020/2）×sin 1.090 5°=9.71 mm，不會(huì)造成卡盤。

圖6 浮頂頂板徑向各節(jié)點(diǎn)到液面的距離

圖7 浮頂?shù)装鍙较蚋鞴?jié)點(diǎn)到液面的距離

圖8 浮頂頂板的等效應(yīng)力云圖

圖9 浮頂?shù)装宓牡刃?yīng)力云圖

圖10 隔艙隔板的等效應(yīng)力云圖

圖11 浮頂隔艙環(huán)板的等效應(yīng)力云圖

圖12 浮頂隔艙徑向支撐的等效應(yīng)力云圖

圖13 浮頂隔艙環(huán)向支撐上的等效應(yīng)力云圖

圖14 浮頂隔艙立筋上的等效應(yīng)力云圖

圖15 浮頂加強(qiáng)板的等效應(yīng)力云圖

圖16 浮頂密封托板上的等效應(yīng)力云圖

圖8～圖16為浮頂各構(gòu)件的等效應(yīng)力云圖。頂板、底板、環(huán)板、徑向支撐、環(huán)向支撐、托板和加強(qiáng)板都滿足強(qiáng)度要求；而隔板、立筋卻超出了強(qiáng)度要求。梁和板殼單元連接處是應(yīng)力集中區(qū)域，有限元計(jì)算中該處的應(yīng)力值較真實(shí)值往往偏大很多。當(dāng)然應(yīng)力集中最嚴(yán)重的地方會(huì)局部進(jìn)入塑性狀態(tài)，但這不影響整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。因此，忽略有限元軟件本身計(jì)算引起的局部應(yīng)力值偏大外，浮頂各構(gòu)件滿足強(qiáng)度要求。

綜上所述，在250 mm雨水荷載作用下，浮頂是滿足強(qiáng)度要求的。

3.2 隔艙泄漏分析

從圖17～圖19可知，在泄漏工況下，外側(cè)板上緣最低位置為874 mm，滿足抗沉性要求；浮頂結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力點(diǎn)都位于浮頂立筋上，且遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

圖17 浮頂外側(cè)板上緣各節(jié)點(diǎn)到液面的距離

圖18 浮頂外側(cè)板的傾斜角度

圖19 浮頂立筋的等效應(yīng)力值

4 結(jié)語

（1）通過有限元計(jì)算分析，20×104m3浮頂油罐用雙盤式浮頂結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范的強(qiáng)度和抗沉性要求。（2）在250 mm雨水荷載和任意兩隔艙泄漏工況條件下，20×104m3浮頂油罐用雙盤式浮頂結(jié)構(gòu)是安全的。

[1]徐英，楊一凡，朱萍.球罐和大型儲罐 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]API 650-2011.Welded tanks for oil storage[S].

[3]JIS B 8501-1995.鋼制焊接油罐結(jié)構(gòu) [S].

[4]BS EN 14015-2004.Specification for the design and manufacture of site built,vertical,cylindrical,flatbottomed,aboveground,welded,steel tanks for the storage of liquids at ambient temperature and above[S].

[5]GB 50341—2003.立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

我國掌握碳纖維干噴濕紡工藝

中復(fù)神鷹碳纖維公司于2013年10月19日宣布，該公司承擔(dān)的干噴濕紡高性能碳纖維工程化關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備研發(fā)項(xiàng)目通過國家級鑒定，項(xiàng)目總體技術(shù)達(dá)到國際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。該公司成為我國唯一、世界第三個(gè)掌握該工藝的企業(yè)。

鑒定專家組認(rèn)為，在技術(shù)方面，該項(xiàng)目在國內(nèi)率先突破干噴濕紡碳纖維制造的技術(shù)難關(guān)，開發(fā)出了適用于干噴濕紡的均質(zhì)化聚合系統(tǒng)、低擾度空氣層纖維成型系統(tǒng)以及高速高倍蒸汽牽伸系統(tǒng)；在裝備方面，自主開發(fā)設(shè)計(jì)了快速換熱的全混式60 m3聚合釜、干噴濕紡纖維成型裝備、蒸汽牽伸裝備、全套碳化關(guān)鍵裝備以及高效溶劑回收和廢氣處理系統(tǒng)。在上述關(guān)鍵技術(shù)和裝備基礎(chǔ)上，該項(xiàng)目制備出各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到GQ 4522標(biāo)準(zhǔn)的SYT45碳纖維產(chǎn)品，并在多家復(fù)合材料制造企業(yè)應(yīng)用取得良好效果。

據(jù)介紹，高性能碳纖維是發(fā)展新技術(shù)的重要新材料，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、土木工程、醫(yī)療器械、軍事和航空航天等領(lǐng)域。干噴濕紡技術(shù)是一種高效的紡絲技術(shù)，具有生產(chǎn)效率高、碳纖維品質(zhì)好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。干噴濕紡工藝被認(rèn)為是今后碳纖維生產(chǎn)的主流工藝，但也是碳纖維行業(yè)公認(rèn)的難以突破的紡絲技術(shù)，目前在國際上僅有美國和日本的個(gè)別公司掌握這一工藝。

(錢伯章)

Finite Element Analysis for Double-deck Floating Roof of 20×104m3Floating Roof Oil Tank

Wu Longping Fu Weiqing Liu YiMing Feiqing

Introduced the finite element model of double-deck floating roof of floating roof oil tank,including the structural unit selection of floating roof and the treatment of boundary conditions.For the floating roof in the most dangerous working conditions,finite element calculation and analysis was implemented.The results showed that the double-deck floating roof structure of the 20×104m3floating roof oil tank could meet the correlation requirement of tank codes.

Floating roof oil tank;Double-deck floating roof;Finite element;Stress analysis;Pressure vessel

TQ 050.2

2013-05-12）

*吳龍平，男，1979年生，碩士，高級工程師。廊坊市，065000。