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大型原油储罐的强度有限元分析

发布于:2021-02-08 19:28
有限元分析

       某石化企业引进的两座12.5xl5m3外浮顶式原油储罐,是我国目前容量最大的原油储罐。由于国内尚无该类型原油储罐的运行经验,对其结构强度也了解甚少,一旦这类大型储罐因强度不足发生故障,必将造成巨大的经济损失。因此,为了全面了解该类型原油储罐的强度特性,做好其罐体投用的技术鉴定和资料整理并为该类罐体设备的国产化打下基础,现采用ANSYSApp (国际通用有限元分析App)和有限元分析设计测评法,着重对其中一座大型储罐进行了各部位的应力分析和安全性评价。
       由图可以看出,该储罐内径为90m,高22m,罐底边缘板材料为SPV490Q钢(日本牌号,材料性能与中国牌号07MnCrVR相同),厚21mm,罐底中幅板材料为Q235A钢,厚12mm。自下向上的第一至第五圈罐壁材料为SPV490Q,厚度依次为36.5mm、28mm、22.5mm、18mm和13.5mm;第六圈罐壁材料为16MnR钢,厚12mm;第七、八圈罐壁材料为Q235C钢,厚度为12mm。在第七、八圈罐壁处焊有两圈抗风圈,在第五、六、七圈罐壁焊有中间加强圈。储罐基础为混凝土环墙十回填沙,回填沙的弹性模量为17.5MPa,混凝土环墙弹性模量为28000MPa。常温下钢材的物理性能见表,材料的常温力学性能见表。
       对于大型原油储罐,水压试验比正常的储油工况更危险,为此,现进行水压试验时储罐的强度分析。12.5x10m3外浮顶式原油储罐最高设计液位为20.5m,在这种工况下圆筒形罐壁主要承受的是呈三角形分布、由上至下逐渐增大的储液静压力和储罐及附件的自重两部分载荷。
       由于储罐结构及承受载荷均为轴对称,因此可以采用轴对称的方法建立模型。取纵向剖面的一半进行分析。由于厚度尺寸相对于储罐整体尺寸小,因此,在图中壁厚截面呈现为一条线。选用二维平面单元类型Plane183对模型进行网格划分,共划分了17478个单元,共包含64214个节点。储罐的有限元模型罐体各部分材料的密度及弹性模量几乎完全相等,弹性模量为21000MPa,泊松比为0.3,密度为7550kg/m3
       储罐为轴对称结构,在图中以x=0的罐底剖面(对称面)施加对称约束。储罐基础为混凝土环墙+回填沙,由图可以看出,罐底边缘板的外边缘支撑在混凝土环墙上,而边缘板的内边缘以及中幅板则正撑在回填沙上。为了模拟这种基础支撑,在罐底边缘板外边缘的下端添加一弹性模量为28000MPa的弹性体(等于混凝土环墙的弹性模量);在中幅板及边缘板内圈支撑在回填沙上的边缘板底部,添加一弹性模量为17.5MPa的弹性体。
       两种弹性体的厚度均为0mm(如果中幅板及边缘板在y方向的位移大于此厚度,则需重新设定),在两块弹性体的底边y方向(竖直方向)上的位移约束为0。
       对整个模型施加y负方向的重力加速度(g取9.8)时,大型储罐的圆筒形罐壁承受着按三角形分布、由上至下逐渐增大的储液静压(见图中在侧壁施加线性分布的压力)。由于水的密度1000kg/m,所以得到距离液面高度(h)的罐侧壁承受的储液压力(P)为:已知液面高度为20.5m,液压由液面(0)至罐底(0.198MPa)呈三角形状线性增加,所以计算式求得罐底部承受的液压均为0.198MPa。
       由图可以看出,第一圈罐外壁,随着罐壁高度的增加,环向应力也随之增加,高度约为3.001m时环向应力达到最大,约为241MPa。对于第二圈罐壁,随高度的增加,环向应力先略有增加,然后下降。对于第三、第四圈罐壁,环向应力随高度增加继续缓慢降低。从图中也可以直观地看出,各圈罐壁的环向应力均小于该圈罐壁材料的许用应力值,特别是第六圈罐壁有较大安全裕度。


                                                                                专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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