帶隔板立式儲罐的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計

蘇文獻，鄔曉敏

（上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

立式儲罐是主要用于盛放常溫下飽和蒸汽壓較低液體（如石油、汽油等）的常壓容器，其設(shè)計準則常依據(jù)《鋼制焊接常壓容器》JB4735－1997，因設(shè)計公式簡單成熟，已在長期使用過程中得到了驗證。另外，其受力均勻，應(yīng)力狀態(tài)以薄膜應(yīng)力為主，加工用料也比同容量的其他儲罐少，故在石油化工、輕工、制藥等眾多領(lǐng)域有著廣泛使用［1］。但在實際工程應(yīng)用中，由于生產(chǎn)工藝的需要，常要求儲存多種物料，為此，廠家往往須建造多個儲罐來滿足要求。但是，此類儲罐存貯的介質(zhì)常是易燃易爆的危險介質(zhì)，故相鄰儲罐間必須按照相關(guān)規(guī)定保持一定的防火間距并設(shè)防火堤和隔堤等相關(guān)防火裝置，防止儲罐發(fā)生泄漏時可燃液態(tài)物料外流導(dǎo)致火災(zāi)蔓延。GB50074－2002［2］中規(guī)定當(dāng)單罐容量小于1 000m3時，油罐間甲乙類油品防火間距為25m；GB50160－2008［3］中規(guī)定容量為500m3～1 000m3的可燃液化固定頂式儲罐的防火間距為25m～30m。因此，考慮到廠區(qū)布置、場地限制以及經(jīng)濟成本等諸多因素，常會在儲罐內(nèi)增設(shè)隔板來存貯不同物料，既可節(jié)約耗鋼量又減少占地面積，降低了投資費用［4］。

立式儲罐結(jié)構(gòu)的分析通常基于小變形和小應(yīng)變理論，但當(dāng)儲罐內(nèi)增設(shè)隔板后，因其直徑很大，其受壓后應(yīng)變可能不大，但總位移較大，結(jié)構(gòu)分析時要考慮到因大變形效應(yīng)導(dǎo)致作用在儲罐的載荷方向與大小的改變。當(dāng)隔板兩側(cè)等壓時，由于儲罐的厚徑比很小，使得隔板所受軸向力和拉應(yīng)力都很小，雖仍對筒體產(chǎn)生了一些彎曲應(yīng)力，但對強度影響較小。故對于隔板兩側(cè)都裝滿等高的同種物料的立式儲罐，一般不需要考慮其強度和剛度問題［5］。然而，在隔板一側(cè)裝滿液體而另一側(cè)全空的工況下，隔板就易于發(fā)生嚴重的失穩(wěn)變形產(chǎn)生較大的位移，造成安全隱患。但因JB4735中并未涉及有關(guān)于帶隔板立式常壓容器結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求與內(nèi)容，故無法應(yīng)用理論公式來確保其安全與可靠性，所以對該類儲罐結(jié)構(gòu)進行有限元分析計算很有必要。

本文將結(jié)合某立式儲油罐改造實例，綜合比較多種帶隔板立式儲罐結(jié)構(gòu)，在上述危險工況下，應(yīng)用有限元軟件ANSYS對儲罐進行應(yīng)力分析設(shè)計。

1 分析實例

某廠家因生產(chǎn)工藝需要和場地限制等多種因素，想將已建的立式儲罐進行改造，用于盛放比重分別為0.85和0.83的物料，儲罐整體材料均為SS304L鋼材，儲罐額定裝載系數(shù)為0.85，設(shè)計壓力為2 000Pa，腐蝕余量為0；筒體半徑為4 000mm，壁厚為8mm，高度為8 500mm。要求在危險工況下，改造后的儲罐既安全又經(jīng)濟。

廠家初步給出了以下幾種帶隔板立式儲罐形式（隔板為SS304L鋼材）：直隔板式、圓弧形隔板式、S型隔板式和罐中罐式，如圖1所示。

圖1 各種形式的帶隔板立式儲罐

（1）直隔板式：厚度8mm的平面直隔板。

（2）圓弧形式：曲率半徑為11 400mm、厚度為8mm的圓弧形隔板，并在其中心處設(shè)置豎直固定（材料SS304L）。

（3）S型式：由4個曲率半徑為1 025mm、厚度為8mm的半圓面組合而成。

（4）罐中罐式：直徑為Φ5 400mm×8mm的圓形隔板。

隔板和豎直固定管高度均為8 500mm。

1.1 儲罐材料參數(shù)的確定

儲罐材料為SS304L，其彈性模量E＝195×103MPa，泊松比μ＝0.3，許用應(yīng)力Sm＝138MPa。

1.2 有限元模型

整個模型采用實體建模，用186實體單元進行網(wǎng)格劃分。在關(guān)鍵區(qū)域細化網(wǎng)格尺寸且在各部件的厚度方向劃分多層網(wǎng)格，確保計算結(jié)果的精確性。

1.3 載荷和邊界條件的確定

在危險工況下，用比重為0.85的物料來進行受力計算。在儲罐一側(cè)內(nèi)表面施加由物料對其產(chǎn)生的梯度為8.35×10－6MPa/mm的分布載荷（罐中罐形式的梯度載荷施加于內(nèi)外圓筒壁之間），且考慮罐內(nèi)正壓對容器頂部的作用等效到儲罐筒體頂部橫截面所受的拉力，其大小為0.498MPa。根據(jù)實際情況，對儲罐底面設(shè)置全約束。

1.4 有限元計算結(jié)果

上述4種儲罐的有限元計算結(jié)果如表1所示。

表1 各種帶隔板立式儲罐的有限元分析結(jié)果

以上各結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在隔板上，顯然，直隔板式和圓弧形式無法滿足強度要求。按照JB4732－1995分別對S型和罐中罐式容器的最大應(yīng)力區(qū)域進行評定。應(yīng)力評定路徑上的薄膜應(yīng)力為一次局部薄膜應(yīng)力，其強度用1.5Sm進行限制；路徑上的彎曲應(yīng)力屬二次應(yīng)力，它與一次局部薄膜應(yīng)力之和用3Sm限制［6］。兩個應(yīng)力條件同時滿足才能保證容器不發(fā)生失效，應(yīng)力評定結(jié)果如表2所示。

表2 應(yīng)力評定結(jié)果

由表1和表2可知：圓弧形隔板受力情況比直隔板好，究其原因很大程度是由于圓弧板中心處豎直固定管的強化作用，提高了隔板自身剛度，使隔板上應(yīng)力和位移得到很大程度的改善；S型隔板雖較圓弧形受力情況更好，但常需多個組合才行，這對加工成形、焊接及損傷探測等生產(chǎn)工藝要求較高，不利于加工制造［7］。

直隔板式受力情況雖不及圓弧形和S型，但考慮到再合理增設(shè)常用加強結(jié)構(gòu)如加強圈、筋板等后，亦可使容器滿足安全要求，并且其加工難易程度優(yōu)于圓弧形和S型。此外，雖然罐中罐形式的隔板受力情況良好，但其耗材量較大。最終從安全性、加工工藝和經(jīng)濟性多方面考慮，擬采用直隔板式并對其進行適當(dāng)結(jié)構(gòu)強化，使其能滿足使用要求。

2 結(jié)構(gòu)強化方案及其有限元分析

2.1 結(jié)構(gòu)強化方案

結(jié)構(gòu)1：隔板中心處增設(shè)一根豎直固定管，如圖2（a）所示。

結(jié)構(gòu)2：隔板上均布3根中心距為2 000mm的豎直固定管，如圖2（b）所示。

結(jié)構(gòu)3：隔板上均布5根中心距為1 600mm的豎直固定管，如圖2（c）所示。

圖2 直隔板強化結(jié)構(gòu)示意圖

約束及其加載與之前一樣，在危險工況下各強化結(jié)構(gòu)的有限元計算結(jié)果如表3所示。

表3 各強化結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果

由表3可知：當(dāng)在隔板中心增設(shè)豎直固定管后，有效地改善隔板的受力情況；當(dāng)豎直固定管數(shù)量增至5根，雖最大應(yīng)力和位移值較之前降低了很多，但仍超出限定值，安全性不滿足，故還須對結(jié)構(gòu)3作進一步強化改進。

2.2 強化結(jié)構(gòu)4

根據(jù)上述有限元分析結(jié)果，得知由于受梯度載荷作用，隔板組合件上端位移較大導(dǎo)致了下端產(chǎn)生了較大的彎曲應(yīng)力，故對此提出了橫向加強的方案：用中心距為750mm的Φ219×8橫管（材料Q345R）進行橫向結(jié)構(gòu)強化，用以加強隔板的剛度，減小應(yīng)力集中，其有限元計算結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 強化結(jié)構(gòu)4有限元應(yīng)力云圖

由圖3和圖4可知，應(yīng)力主要集中于豎直固定管上下端部位，且以一次局部薄膜應(yīng)力為主，數(shù)值稍大，而橫管上應(yīng)力值較小。其應(yīng)力評定結(jié)果如表4所示。

可見，作進一步改進之后，強化結(jié)構(gòu)4滿足了強度要求。

圖4 強化結(jié)構(gòu)4總位移云圖

表4 強化結(jié)構(gòu)4應(yīng)力評定結(jié)果

2.3 經(jīng)濟和可行性比較

由于改進后的直隔板式儲罐與之前的罐中罐式均滿足強度要求，故對這2種結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性作大致的初步估算比較，如表5所示。

表5 兩種結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性初步比較

由表5可知，直隔板式材料成本較低，經(jīng)濟性好。此外，在可行性方面，若使用罐中罐式，則其出料口需要穿過內(nèi)外兩層圓筒壁，這將導(dǎo)致其受力狀態(tài)不如穿過單層的好，或?qū)⒊隽瞎軓墓摅w底部引出，但這對于已建立式儲罐而言，其地基已夯實，也不可取。最終，廠家綜合考慮多種因素后，采納了直隔板式強化結(jié)構(gòu)方案對其原有儲罐進行改造。

3 結(jié)語

對于帶隔板大直徑立式儲罐進行常規(guī)設(shè)計時，須考慮到在最大壓差作用下（即一側(cè)裝滿液體、另一側(cè)全空時）筒體和隔板發(fā)生變形的問題，雖可通過結(jié)構(gòu)改進，保證容器的安全性，但若長期處于該工況下，仍會造成安全隱患。帶隔板立式儲罐應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，但缺少相關(guān)的設(shè)計準則，故本文綜合分析了多種帶隔板立式儲罐結(jié)構(gòu)，比較各自優(yōu)缺點，最終在直隔板的基礎(chǔ)上提出了一種安全經(jīng)濟的加強結(jié)構(gòu)，為直隔板儲罐的結(jié)構(gòu)強化設(shè)計提供了參考。

［1］鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［2］中國石化工程建設(shè)公司.GB50074.50074－2002－石油庫設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2012：9.

［3］中國石化集團洛陽石油化工工程公司.GB50160.50160－2008－石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2009：12－13.

［4］朱維波，劉飛鳴，林興華.帶隔板大直徑常壓容器的結(jié)構(gòu)分析與實驗研究［J］.壓力容器，2003，20（3）：5－8.

［5］高炳軍，趙景利，王俊寶.兩側(cè)等壓時帶隔板圓形截面壓力容器應(yīng)力分析［J］.石油化工設(shè)備，2000，29（6）：21－23.

［6］全國壓力容器標準化技術(shù)委員會.JB4732.4732－1995鋼制壓力容器分析設(shè)計標準［S］.北京：新華出版社，2007：18.

［7］盧熹料，王芳，陳云飛.有隔板常壓圓柱形容器的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計［J］.機械強度，2004，26（4）：460－462.