大型原油储罐的静力数值分析

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1、·2O·油气储运大型原油储罐的静力数值分析*孙建刚一王凯蒋峰赵晓磊张荣华(大连民族学院土木建筑工程学院)(大庆石油学院土木建筑工程学院)孙建刚王凯等：大型原油储罐的静力数值分析，油气储运，2009，28(8)20~26。摘要建立了大型储罐的有限元模型，其静力问题采用空间有限元分析，地基用弹簧单元模拟，罐壁用壳单元模拟，液体用三维流体单元模拟。分析了储罐液位高度和地基模量对储罐应力的影响。分析结果表明，储罐液位越高，其根部和底板边缘区域内的环向应力、径向应力及轴向应力越大；地基模量对储罐外壁轴向应力和环向应力的影响主要集中在第一圈板的下部。对于15×10m。原油储

2、罐，正锥和倒锥底板储罐的应力和变形相似。主题词大型原油储罐应力锥度有限元方法数值分析阻尼。一一、前刖言舌对于非锚固大型油罐，罐壁的最大应力发生在元件罐下部(一般在第一圈或第二圈壁板上)，同时该区域也是最容易发生“象足”屈曲的位置。在底板靠近边缘的部分，应力存在突变。可见，研究储罐下部和底板边缘的受力特点十分必要。图2地基弹簧单元概念化模型二、有限元模型的建立和参数设置3、壳单元和液体单元的选取n1、单元网格划分由于壳单元可以用来模拟厚壳或薄壳结构，因兼顾计算精度和计算量的要求，采用试算的方此储罐壁和底板均采用8节点等参单元进行模拟，法确定网格密度。考虑到储罐壁下

3、部受力比较复杂见图3。液体采用三维流体单元进行模拟，采用势的特点，网格采用上疏下密的方式划分，划分之后的流理论进行计算，其液体表面为自由面单元，其他为有限元模型见图1。流体面单元，见图4。(a)内外面的描述图1立式钢制储罐有限元模型2、地基单元的模拟采用弹簧单元模拟地基，弹簧单元的概念化模(b)由壳单元向实体单元的转变型见图2。可以通过储罐半径、储液密度、地基的剪图3壳单元切波速、土壤密度等参数计算地基总的等效刚度和*建设部研究开发项目(2007一K3—1)。**116600，辽宁省大连市经济技术开发区辽河西路18号；电话：(0411)87656202。第28卷

4、第8期孙建刚等：大型原油储罐的静力数值分析自由面接触单元三、静力分析未知节点位移中，u1、有限元分析结果与实测值的比较。j以15×10m。储罐为例，在充水高度分别为6．13、10．54、15．72、19．00m时，比较实测值与有限元分析结果。图5为在四种充水高度下，储罐外壁的实测轴向应力与有限元分析轴向应力分布曲线的(a)自由面流体单元对比，可见实测应力值分布在有限元分析曲线附近。2、水位对储罐应力的影响图6为储罐在不同水位下采用有限元法计算得流体一结构接触单元未知节点位移．I1到的外壁的应力分布曲线。不同水位下的轴向应力在每一圈壁板都有一个汇聚点，第一圈壁板上

5、的会固耦合处共用聚点在距底板上表面625mm处；第二圈壁板的汇由度的节点聚点在距底板上表面45llmm处。壁板上的轴向应力主要由边缘弯矩和边缘剪力产生，具有衰减性，(b)流固耦合流体单元从第三圈壁板开始，轴向应力在零应力值附近波动，图4流体单元最后趋于零，见图6(a)。一一暑宕一一褪褪蛊g旧喧世世轴向应力(MPa)轴向应力(MPa)(b)充水高度1O．54m(a)充水高度6．13m一一暑量一一键褪gg瞎旧懈僻辎世世轴向应力(MPa)轴向应力(MPa)(c)充水高度15．72m(d)充水高度19．00m，图5储罐外壁轴向应力实测曲线与有限元分析曲线的对比油气储运—

6、g一避襄旧辎世蟹一日龟巴邋霍旧世765432lO四种水位下，轴向拉应力的最大值基本出现在底板上表面370mm处相交；过了该点后，环向应力一相同的高度，距底板1450mm处，即在抗震设计时沿着罐壁向上继续增大，水位∞越高0，卯环向∞应如力∞越大如，∞容易出现“象足”的位置。水位越高，边缘应力越大。达到最大值后开始减小或波动。由于每圈壁板连接图7为储罐在不同水位下外壁环向应力随高度变化处因变截面而产生的弯矩和剪力使得每圈壁板最下的曲线。壁板与底板连接处受底板的约束作用，环端的环向力减小，因而每圈壁板应力的最大值不在向应力为负值，水位越高，约束作用越强，应力的绝最下端

7、，而是在距每圈壁板下端以上的某一位置，见对值越大；沿着罐壁向上，环向应力逐渐增大，在距图6(b)。300-200—1000lOO一龟域暹旨旧辎世外壁轴向应力(MPa)外壁环向应力(MPa一)一一一一一一一加m0加如加如∞∞(a)径向应力(b)环向应力图6不同水位下储罐外壁的应力分布曲线图7为储罐在不同水位下径向应力和环向应力生突变，由受压变成受拉；随着与壁板距离的增加，的分布曲线。径向应力和环向应力在靠近底板处发应力逐渐衰减；水位越高，应力的绝对值越大。底板距罐壁外侧距离(m)底板距罐壁外侧的距离m)(a)径向应力(b)环向应力图7不同水位下储罐底板上表面的应力

8、分布曲线3、地基对储罐应