3000m³玻璃鋼儲(chǔ)罐有限元分析

陶保林　石竣夫　宋傳陽(yáng)　何勇

摘要：使用有限元分析軟件ANSYS對(duì)某油田開(kāi)發(fā)工程中所使用的3000m³玻璃鋼儲(chǔ)罐進(jìn)行建模，建立了與儲(chǔ)罐罐頂、罐壁、加強(qiáng)筋、抗風(fēng)圈實(shí)際尺寸一致的計(jì)算模型，重點(diǎn)分析了儲(chǔ)罐在設(shè)計(jì)內(nèi)壓、罐內(nèi)液壓、地震載荷、風(fēng)載、雪載及集中載荷組合下的整體強(qiáng)度、剛度，并根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，分析結(jié)果表明本玻璃鋼儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)是合理的，能夠滿足相應(yīng)的力學(xué)和安全要求。

關(guān)鍵詞：玻璃鋼；儲(chǔ)罐；有限元分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 052 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

1671-0460（2017）01-0098-04

玻璃鋼儲(chǔ)罐被廣泛應(yīng)用于油氣田地面開(kāi)發(fā)工程中，隨著玻璃鋼纏繞技術(shù)的問(wèn)世，玻璃鋼儲(chǔ)罐得以向大型、大直徑儲(chǔ)罐方向發(fā)展，與傳統(tǒng)的金屬儲(chǔ)油罐相比，大直徑玻璃鋼儲(chǔ)罐具有耐腐蝕性能好、重量輕、保溫效果好、不生銹、內(nèi)表面光滑、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、電絕緣性能好、可修復(fù)性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。但是由于玻璃鋼儲(chǔ)罐在石油以外的行業(yè)應(yīng)用面還比較窄，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于玻璃鋼儲(chǔ)罐的有限元分析方面的研究還比較少，相關(guān)的文獻(xiàn)資料也不多。本文以某油田轉(zhuǎn)油站污水回注工程的3000³玻璃鋼立式拱頂儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算及分析，計(jì)算的目的旨在校核儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的安全性和合理性，并根據(jù)結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果調(diào)整設(shè)計(jì)鋪層。

1 玻璃鋼儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)參數(shù)

3000m³玻璃鋼儲(chǔ)罐為立式拱頂儲(chǔ)罐，其內(nèi)徑為21000mm，簡(jiǎn)體高度為9000mm，罐頂曲率半徑為21630mm，罐頂殼與簡(jiǎn)體的過(guò)渡曲率半徑為1000mm，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 幾何建模和網(wǎng)格劃分

本次有限元計(jì)算時(shí)詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：儲(chǔ)罐的罐頂（圖2（a））、底板和罐體的內(nèi)襯層厚度均為4mm，罐頂總厚度為26.7mm；罐頂上設(shè)有縱向加強(qiáng)筋和環(huán)向加強(qiáng)筋（圖2（b））；其中，縱筋共32條，環(huán)筋共6條。底板總厚度為28mm，罐體各部分的厚度（包括內(nèi)襯層4mm個(gè)結(jié)構(gòu)層）自上向下依次為34mm（標(biāo)高6.0～9.0m），49mm（標(biāo)高3.0～6.0m），64mm（標(biāo)高0.3～3.0m），152mm（標(biāo)高0.0～0.3m，包含60mm厚的樹(shù)脂砂漿層）。在4米和7米位置設(shè)置抗風(fēng)圈（圖2（c））整體有限元模型如圖2（d）所示，計(jì)算模型中包含罐體（罐體中設(shè)備的重量等效到罐體上）、底板、罐頂?shù)装逯?。模型中殼體采用SHELL181，罐頂加強(qiáng)筋采用BEAM188，底板支撐采用LINK10，罐體中設(shè)備采用MASS21。

3 材料性能

由于ANSYS材料庫(kù)中沒(méi)有玻璃鋼這種材質(zhì)，因此有限元計(jì)算中結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行確定的，其值如表1所示。

4 載荷和邊界條件

在本次計(jì)算過(guò)程中所考慮到的載荷主要包括儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)恒載、風(fēng)載、雪載、儲(chǔ)存液位靜壓力及罐頂所承受的集中載荷。

4.1 結(jié)構(gòu)恒載

根據(jù)設(shè)計(jì)要求及玻璃鋼廠家提供的數(shù)據(jù)，我們可知玻璃鋼材質(zhì)密度為1800kg/m³；呼吸閥設(shè)備重量為570kg；阻火器設(shè)備重量為600kg；爬梯重量為1126kg；液壓安全閥為600kg；護(hù)欄重量為4035kg；儲(chǔ)存液體密度為1050kg/m³；罐頂集中載荷假設(shè)為4人同時(shí)在罐頂進(jìn)行操作工作，每個(gè)人的體重均以113.4kg考慮，分布于封頭中央附近，結(jié)構(gòu)恒載荷單元圖如圖3所示。

4.2 內(nèi)液壓

儲(chǔ)罐內(nèi)液壓按靜水壓力考慮，本儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)液位高度為8.4m，所儲(chǔ)存的液體密度為1050kg/m³，其分布情況如圖4所示。

4.3 風(fēng)載荷及雪載荷

風(fēng)載荷的作用方式以節(jié)點(diǎn)力的形式施加。雪荷載基本值按0.6kN/m²進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)值為0.84kN/m²。儲(chǔ)罐有限元模型中的風(fēng)荷載、雪荷載圖分別如圖5、圖6所示。

4.4 地震載荷

由于設(shè)計(jì)的地震烈度僅為7度，故地震荷載按水平加速度施加，大小為0.10g。此外，罐中液體，根據(jù)其質(zhì)量（m'），折算等效質(zhì)量，以質(zhì)量點(diǎn)單元MASS21施加，等效質(zhì)量m計(jì)算如式（1）：

m=F_rm' （1）式中：m-儲(chǔ)液等效質(zhì)量，kg；

m'-儲(chǔ)液設(shè)計(jì)質(zhì)量，kg；

F_r-動(dòng)液位系數(shù)。

其中，動(dòng)液系數(shù)F_r依據(jù)HG20696-1999玻璃鋼化工設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)定進(jìn)行選取，因此F_r取為0.32。

5 計(jì)算結(jié)果分析

玻璃鋼儲(chǔ)罐在充滿儲(chǔ)液狀態(tài)下承受結(jié)構(gòu)恒載（結(jié)構(gòu)及附件自重）、設(shè)計(jì)內(nèi)壓、罐頂負(fù)壓及罐內(nèi)液壓、4人載荷、風(fēng)載荷雪載、地震荷載作用下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8、圖9所示。

玻璃鋼材料的強(qiáng)度判斷準(zhǔn)則采用許應(yīng)變準(zhǔn)則及運(yùn)行荷載作用下的強(qiáng)度安全系數(shù)大于10倍，風(fēng)、雪荷載及地震荷載作用下的強(qiáng)度安全系數(shù)大于5倍的準(zhǔn)則進(jìn)行判斷。

由圖7可以看出玻璃鋼儲(chǔ)罐在徑向、環(huán)向、軸向最大應(yīng)變?yōu)?64×10^2-6，小于0.001。滿足文獻(xiàn)對(duì)玻璃鋼材質(zhì)的許應(yīng)變的要求，即正常工況下許應(yīng)變?chǔ)?[ε]=0.1%=0.001，同時(shí)由圖8可以看出在該工況下的最大應(yīng)力與強(qiáng)度的比值處在罐體底部區(qū)域，其最大值為0.081，由于1/0.081=1234>5，安全系數(shù)為12.34，滿足文獻(xiàn)對(duì)玻璃鋼材質(zhì)的安全系數(shù)的要求。因此本玻璃鋼儲(chǔ)罐的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

玻璃鋼材料的剛度采用位移與直徑之比進(jìn)行確認(rèn)，依據(jù)《ASMERTP-1-2015 Reinforced ThermosetPlastic Corrosion Resistant Equipment》標(biāo)準(zhǔn)的要求，玻璃鋼材料的位移與直徑之比應(yīng)滿足：u/D<[u/D]=0.005。由圖9可以看出，玻璃鋼儲(chǔ)罐在最大位移發(fā)生在水平地震方向，變形值為4.96mm，則最大位移與直徑之比為：

因此玻璃鋼儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)滿足剛度設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

（1）運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS建立了新疆某油田地面開(kāi)發(fā)工程中使用的3000m³玻璃鋼儲(chǔ)罐罐體、罐頂、底板、加強(qiáng)筋、抗風(fēng)圈實(shí)際尺寸相一致的有限元結(jié)構(gòu)模型，在充分考慮結(jié)構(gòu)恒載、罐內(nèi)液壓力、風(fēng)載荷、地震載荷、雪載荷及集中載荷的組合條件下進(jìn)行了應(yīng)力分析及強(qiáng)度計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果可以看出玻璃鋼儲(chǔ)罐的最大應(yīng)變發(fā)生在儲(chǔ)罐的徑向，最大應(yīng)變?yōu)?64×104，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)規(guī)范要求中的小于0.001要求，最大應(yīng)力與強(qiáng)度的比值發(fā)生在罐體底部區(qū)域，其最大值為0.081，安全系數(shù)為12.34，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中運(yùn)行荷載作用下的強(qiáng)度安全系數(shù)為10倍的要求，最大位移發(fā)生在水平地震方向，變形值為4.96mm，最大位移與直徑只比為0.00024，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中小于0.005要求。通過(guò)以上計(jì)算機(jī)分析可以充分的證明本工程中所設(shè)計(jì)的玻璃鋼儲(chǔ)罐具有足夠的安全裕度及可靠性。

（2）通過(guò)相應(yīng)的試驗(yàn)研究可以證明，本次有限元分析的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)所測(cè)定的值基本上相符，有限元分析的方法可以較好的分析出玻璃鋼材質(zhì)儲(chǔ)罐的剛度及強(qiáng)度，從而為此類(lèi)材質(zhì)儲(chǔ)罐的評(píng)價(jià)提供了較為便利的手段。