LNG全容罐外框架及塔梯結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算與評(píng)定

楊 陽，孟樹森，張疆平，馬金華，劉 俊，樊志剛

(張家港中集圣達(dá)因低溫裝備有限公司，江蘇 蘇州 215632)

1 前 言

LNG雙金屬全容罐產(chǎn)品次容器區(qū)別于其他單容罐產(chǎn)品，其次容器一般需要承受25 kPa的微正壓載荷，考慮到操作等原因，拱頂外側(cè)通常連接有大型操作平臺(tái)及塔梯等鋼架結(jié)構(gòu)。由于次容器頂蓋在壓力工況下會(huì)產(chǎn)生變形，導(dǎo)致頂部框架結(jié)構(gòu)與次容器連接位置出現(xiàn)失穩(wěn)等現(xiàn)象，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)是需要額外考慮的。采用有限元軟件建立全容罐產(chǎn)品次容器主體及外框架和塔梯結(jié)構(gòu)的整體模型，對(duì)鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算與評(píng)定，保證外部鋼結(jié)構(gòu)安全有效的運(yùn)行。

2 產(chǎn)品介紹

該LNG全容罐產(chǎn)品次容器是由徑向梁和環(huán)向梁以及頂部蓋板組成，頂部框架依據(jù)徑向梁分布排列，并通過墊板與拱頂蓋板相連接。頂部鋼結(jié)構(gòu)分為操作平臺(tái)和泄放平臺(tái)，上面鋪置格柵板，外圍通過環(huán)形走道相連接。頂部鋼結(jié)構(gòu)側(cè)部連接塔梯結(jié)構(gòu)，供操作人員上下行走。

3 計(jì)算條件

該LNG全容罐產(chǎn)品及頂部外框架結(jié)構(gòu)和側(cè)面塔梯結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)條件等見表1。

表1 計(jì)算條件

4 有限元計(jì)算分析

4.1 有限元模型的建立

采用ANSYS軟件做前后處理與分析計(jì)算。全容罐次容器包括拱頂及筒體等結(jié)構(gòu)均采用SHELL 181單元建立，外部框架及塔梯結(jié)構(gòu)采用BEAM188建立，整個(gè)模型采用360幾何建模，但不包括次容器下端底板、圓筒下方若干組錨帶結(jié)構(gòu)件等[1]。人孔、填料孔、潛液泵和各種工藝管線等，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量均折算到次容器拱頂及外鋼架平臺(tái)結(jié)構(gòu)上，扶梯等結(jié)構(gòu)也簡化考慮，拱頂結(jié)構(gòu)網(wǎng)格大小為20 mm×20 mm，鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸為40 mm，具體如圖1、圖2所示。

圖1 該型全容罐次容器結(jié)構(gòu)等有限元計(jì)算幾何模型三維示意簡圖Fig.1 3-D schematic diagram of the finite element calculation geometric model of the secondary vessel structure of this type of full capacity tank

圖2 該型全容罐次容器結(jié)構(gòu)等有限元計(jì)算幾何模型網(wǎng)格圖Fig.2 Mesh element of FEM calculation geometric model of this type tank product

4.2 載荷類別及工況設(shè)置

結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)，有限元計(jì)算至少要考慮下述載荷[2]：1.全容罐產(chǎn)品及外框架塔梯結(jié)構(gòu)自重G；2.全容罐產(chǎn)品次容器設(shè)計(jì)壓力25 kPa；3.對(duì)于對(duì)風(fēng)載荷敏感的結(jié)構(gòu)適當(dāng)提高風(fēng)壓值，基本風(fēng)壓取400 Pa；4.地震設(shè)防烈度7度0.15 g，Ⅱ類場(chǎng)地；5.操作平臺(tái)及塔梯考慮2 kPa活動(dòng)載荷；6.不考慮裹冰載荷和雪載荷(較小)[3]。

根據(jù)GB 50009—2019中規(guī)定可設(shè)置如表2所示載荷。其中前3種工況計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和位移，后3種工況用于外框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計(jì)算。

表2 計(jì)算載荷

4.3 邊界條件

該有限元計(jì)算模型的位移邊界條件如下：1.次容器筒體下方(不考慮錨帶支撐件和底板結(jié)構(gòu))為固支位移邊界條件；2.塔體鋼架結(jié)構(gòu)件下方也為固支位移邊界條件。

其它結(jié)構(gòu)件之間的連接均簡化為(焊接)直接連接方式等。這是因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)在風(fēng)載荷下節(jié)點(diǎn)處彎矩值較大，經(jīng)過驗(yàn)算，采用所有桿件為承受軸向力的鉸接桿系的有限元法與采用桿件為剛性連接的有限元方法計(jì)算誤差不超過5%，無需考慮框架之間的螺栓連接。

5 外框架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

首先，采用有限元模態(tài)數(shù)值計(jì)算方法來計(jì)算外框架及塔梯結(jié)構(gòu)主體的自振周期Ti，再參照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算出該型貯罐產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主體所受的地震載荷“響應(yīng)”加速度值和水平風(fēng)力載荷值。

外框架及塔梯結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)振型計(jì)算結(jié)果云圖如圖3所示。其前三階模態(tài)振型下的固有頻率見表3。

圖3 外框架及塔梯結(jié)構(gòu)第1階模態(tài)振型計(jì)算結(jié)果云圖

表3 框架及塔梯結(jié)構(gòu)前三階模態(tài)的固有頻率計(jì)算結(jié)果

6 主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評(píng)定

6.1 容罐次容器主體及外框架塔梯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果主要輸出第三強(qiáng)度當(dāng)量應(yīng)力(用符號(hào)σxd3表示，應(yīng)力單位：MPa，位移單位：mm)，如表4、表5以及圖4～8所示，另外位移控制在H/100范圍內(nèi)[4]。

根據(jù)該型燃料罐產(chǎn)品內(nèi)外罐主體結(jié)構(gòu)等計(jì)算模型在7種計(jì)算工況下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，采用應(yīng)力分類的方法進(jìn)行產(chǎn)品主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度極限評(píng)定。

表4 框架計(jì)算結(jié)果及評(píng)定

表5 次容器拱頂計(jì)算結(jié)果

圖4 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型在工況1下的位移云圖(外框架及塔梯)

圖5 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型在工況1下的位移云圖(外框架及罐體)

圖6 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型在工況1下的應(yīng)力云圖(外框架及塔梯)

圖7 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型在工況1下的應(yīng)力云圖(塔梯)

圖8 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型在工況1下的應(yīng)力云圖(罐體)

6.2 全容器次容器外框架及塔梯結(jié)構(gòu)結(jié)果評(píng)定

根據(jù)第6.1節(jié)內(nèi)容，外框架及塔梯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均小于材料的屈服強(qiáng)度，最大位移為19.1 mm小于H/100=2600/100=26 mm，滿足要求[5]。頂部框架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力集中在泄放平臺(tái)附近，這主要是由次容器拱頂內(nèi)壓所引起的，塔梯結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力集中在塔梯底部，塔梯結(jié)構(gòu)受風(fēng)載荷影響較大。另外次容器主體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力同樣小于材料1.5 S，無需應(yīng)力分類也能評(píng)價(jià)合格。綜上，次容器主體及外框架塔梯結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度均滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[6]。

6.3 外框架及塔梯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

穩(wěn)定性評(píng)定參照標(biāo)準(zhǔn)GB 50017—2017中第8.2.5節(jié)對(duì)次容器頂部框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，如公式(1)～(2)。計(jì)算結(jié)果及評(píng)定結(jié)論如表6。

表6 計(jì)算結(jié)果及評(píng)定

(1)

(2)

7 結(jié) 論

參照GB 50017—2017等對(duì)LNG全容罐產(chǎn)品次容器頂部外鋼架平臺(tái)等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳盡的有限元分析計(jì)算與評(píng)定，結(jié)果顯示在設(shè)置的工況下其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是滿足要求的，但是考慮到當(dāng)?shù)貧庀髼l件及操作情形等容易在局部位置發(fā)生失穩(wěn)，還請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)人員考慮。