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摘要 大型储罐外压稳定性分析 摘要 大型储罐是石油化工行业的一种重要储存设备。采用大容量油罐 储油具有节省钢材、减少占地面积、方便操作管理和节省投资等优点， 因此，我国油罐建造的大型化将成为发展的必然趋势。储液罐结构具 有大直径、薄壁的特点，抵抗载荷作用变形能力差。因此，研究大型 储罐的失稳问题具有理论意义和实用价值。 本课题利用a n s y s 有限元分析软件进行数值模拟计算，分析大型 储液罐的失稳特性，为储液罐的结构设计提供可靠实用的有限元分析 方法。在失稳分析中，采用特征值( 线性) 失稳分析和非线性失稳分析两 种方法来进行了研究，同时研究了初始缺陷对失稳性能的影响。研究 发现设置加强圈后储罐的临界失稳外压是无加强圈的1 6 倍以上，特征 值屈曲分析( 线性屈曲分析) 不能用于工程实际；临界失稳外压与初 始缺陷尺寸呈线性关系。这些结论对大型储罐的设计制造等具有一定 的参考价值。同时为了满足大型储罐设计的需要，本论文开发了大型 储罐设计计算软件系统。 关键词：大型储罐，稳定性，数值模拟 a b s t r a c t s t u d y o fs t a b i l i t yo fi 。a r g et a n k s u b j e c t e dt oe x t e r n a i 。p r e s s u r e a b s t r a c t l a r g es t o r a g e t a n ki so n eo ft h em o s t i m p o r t a n te q u i p m e n t i n p e t r o - c h e m i c a le n g i n e e r i n g l a r g ec a p a c i t yt a n kh a sm o r ea d v a n t a g e ss u c h a ss a v i n gs t e e l ，d e c r e a s i n go c c u p a t i o n ，e a s yo p e r a t i o n ，e a s ym a n a g e m e n t a n ds a v i n gi n v e s t m e n t a sar e s u l t ，t h e r ei sat r e n dt h a tt h es t o r a g et a n k w o u l db el a r g e ra n dl a r g e r t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h el a r g et a n ki sl a r g e d i a m e t e ra n dv e r yt h i ns h e l lw a l l ，s ot h el a r g et a n k h a sa b i l i t yo fw e a k a n t i d e f o r m a t i o n s os t u d yo nt h eb u c k l i n gb e h a v i o ro fl a r g es t o r a g et a n ki s o ft h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e t h eb u c k l i n ga n a l y s i so ft h el a r g es t o r a g et a n kw a sc o n d u c t e db y m e a n so ff i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i ss o f t w a r ea n s y si nt h ep a p e r t h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o di sc r e d i b l ea n dp r a c t i c a lf o rt h es t r u c t u r e d e s i g no ft h el a r g es t o r a g et a n k a n dt w oa n a l y s i st y p e s ( e i g e n v a l u eo r l i n e a rb u c k l i n ga n a l y s i sa n dn o n l i n e a rb u c k l i n ga n a l y s i s ) w e r ea p p l i e dt o t h eb u c k li n ga n a l y s i s m e a n w hi l ei n f l u e n c eo fi n i t i a li m p e r f e c t i o n st ot h e c r i t i c a lp r e s s u r ew a ss t u d i e do nb yn o n l i n e a rb u c k l i n ga n a l y s i s i i i 北京化t 人学硕i ：学位论文 i t i sf o u n dt h a tt h ec r i t i c a lp r e s s u r eo ft h et a n kw i t hs t i f f e n i n gr i n g si s m o r et h a n16t i m e st ot h et a n kw i t h o u ts t i f f e n i n gr i n g s a n dt h er e s u l t s f r o mt h ee i g e n v a l u eb u c k l i n ga n a l y s i ss h o u l dg e n e r a l l yn o tb eu s e di n a c t u a l e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a n d t h ec r i t i c a l p r e s s u r ev a r i e sl i n e a r l y f r o ms c a l eo fi n i t i a l i m p e r f e c t i o n s t h e c o n c l u s i o n ss h o u l db eo f c o n s i d e r a b l er e f e r e n t i a li m p o r t a n c ei nd e s i g na n dm a n u f a c t u r eo ft h el a r g e s t o r a g et a n k a d d i t i o n a l l y , t h ed e s i g n a n dc a l c u l a t i o ns y s t e mo fl a r g e s t o r a g et a n kw a sd e v e l o p e ds oa st or e q u i r e m e n to ft h ee n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：l a r g et a n k ，s t a b i l i t y ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 符号说明 符号说明 钢板负偏差，m m 腐蚀裕量，m m 储罐内直径，m m 重力加速度，m s 。2 计算罐壁板底边至罐壁顶端的距离，m m 刚度矩阵 跟结构应力相关的矩阵部分 跟材料弹性相关的矩阵部分 储罐内气相剩余压力，p a 应力刚度矩阵 厚度，m m 储液密度，k g m 。 设计温度下钢板的许用应力，m p a 常温下钢板的许用应力，m p a 焊接接头系数 外力载荷因子 临界载荷因子 位移矢量 特征值 q q d g h k托h网o p巾九栅弘胁 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：垫篓毳 日期： 2 0 0 9 6 1 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公 布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在竹鳃密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：垫重：毳日期： 导师签名：燃 日期： 2 0 0 9 6 1 2 0 0 9 6 2 第章概述 1 1 课题来源 第一童概述 课题名称：大型储罐稳定性分析 课题来源：大型储罐是石油化工行业的一种重要储存设备。通过大量大型储 罐的设计、建造和使用发现，在总库容相同的情况下，由大型油罐组成的罐组比 小型油罐组成的罐组节省投资。采用大容量油罐储油具有节省钢材、减少占地面 积、方便操作管理、减少油罐附件及管线长度和节省投资等优点，因此，我国油 罐建造的大型化将成为发展的必然趋势。储液罐结构具有大直径、薄壁的特点， 抵抗载荷作用变形能力差。因此，多年来，世界上很多国家投入很大精力进行储 液罐容器的承载特性研究，从目前来看，已经取得了一些研究成果，这些成果也 已陆续进入各国的设计规范中。但是，现有研究成果中仍然很不成熟，还处于研 究或刚刚丌始研究之中，按照规范设计的储液罐仍有不少在使用中破坏失效。 本课题利用a n s y s 有限元分析软件进行数值模拟计算，分析大型储液罐的静 力响应及安全性，为储液罐的结构设计提供可靠实用的有限元分析方法。 1 2 前言 根据国际能源署的报告，2 0 0 5 年我国石油需求量己达到2 1 9 亿吨左右，其中 有一半依赖进口，中国将超过同本成为仅次于美国的第二大石油消费国。我国于 2 0 0 1 年明确提出建立石油储备体系，扩大我国石油储运能力。通过大量大型储罐 的设计、建造和使用发现，在总库容相同的情况下，由大型油罐组成的罐组比小 型油罐组成的罐组节省投资。采用大容量油罐储油具有节省钢材、减少占地面积、 方便操作管理、减少油罐附件及管线长度和节省投资等优点，因此，我国油罐建 造的大型化将成为发展的必然趋势。目前世界上已建成了大量的大型储罐，如早 在1 9 6 7 年在委内瑞拉就建成了1 5 万立方米的浮顶油罐，1 9 7 1 年同本建成了1 6 万立方米的浮项油罐，而世界产油大国之一的沙特阿拉伯也已成功建造了2 0 万立 方米的浮顶油罐。随着我国经济的快速发展，大型储罐的发展也非常迅速。 j 匕自m | _ j 学位论i 图1 - 1 码头储配站中的储液罐 f i g 1 l t h e l a r g e t a n k s i nas l o r a g ea n dd i s t r i b u t i o ns t a t i o n i n o fd o c k 1 2l 国外大型储罐的现状 在原油库的建设中，对同储量来说，单罐容彩 越大建设成本越少，投资就越 少，也易于管理。因此国际上的储罐越建越大。摒了解，目前困际r 最太的储罐 有拱顶罐、内浮顶罐容积达1 0 市方米，其拱顶的设计采用的是铝网壳结构技术。 外浮顶罐的最大容税已选到了2 0 “立方米。最大锥顶罐5 丌立方米。日前美嘲等 。此发达国家仍a 不断的研究更大型的储罐技术，包括拱顶铝网壳t 【i i 技术，玻璃 钢内浮顶投术外浮项的浮船技术。 1 2 2 国内大型储罐的现状 国内大型油罐发展从2 0 世纪7 0 年代开始，1 9 7 5 年国内首台5 万立方米浮顶 油罐在上海陈山码头建成。继后，在石化、港口、油田建造了数十台5 万立方米 浮顶油罐。2 0 世纪8 0 年代中后婀，阳内开始建造1 0 “立方米大型浮项油罐，迄 夸为“已经先后在秦争岛、大庆、仪征、铁岭、黄岛、舟山、大连、山东、兰 第一章概述 州、上海、镇海、燕山、湛江等地建造了8 0 余座1 0 万立方米浮顶油罐。到目前 为止，国内建成并投入使用的大型浮顶油罐最大容量为1 2 5 力立方米。由我国自 行设计建造的最大的单台储油量为1 2 5 万立方米的浮顶油罐已于2 0 0 3 年在茂名 石化公司北山岭油库建成。2 0 世纪9 0 年代，在上海、镇海、兰州、黄岛等地建设 的1 0 万立方米油罐逐步实现了国产化设计，只是材料仍进口，9 0 年代术，在北 京燕山建设的4 台1 0 万立方米油罐从材料、设计及施工全面实现了国产化。随着 我国1 0 万立方米油罐的国产化技术的逐步掌握，1 5 万立方米原油储罐国产化设计 的条件日益成熟。中国石化集团公司正着手建造国内单台储油量最大的1 5 万立方 米油罐。 目前我国最大的拱顶罐、内浮顶罐是5 力立方米，最大的单盘式外浮顶罐是 1 2 5 万立方米，最大的双盘式外浮顶罐是1 0 万立方米。1 9 9 5 年，大庆油f f l 工程设 计技术开发有限责任公司就设计了1 0 万立方米双盘式浮顶罐( 罐壁的材料采用r 本s p v 4 9 0 q 高强钢) ，在大庆油f f l 南一油库已建成了4 座。前年又应用该项技术 为中油湛江油库工程设计了4 座1 0 万立方米双盘式浮顶罐和2 座2 力立方米双子 午线拱顶罐。目前正在开发设计1 0 万立方米单盘式浮顶罐，1 5 万立方米单盘和双 盘式浮顶罐，以适应国内外市场的实际需求，增加国内外市场的竞争力。 石油化工领域的液化天然气储罐、储油罐，以及燃气储配站中的湿式螺旋储 气罐均可归并为储液罐。储液罐容器的种类很多，按储液罐容器底部与基础的连 接形式可分为锚固储液罐容器和无锚固储液罐容器。本课题研究的储液罐为无锚 固圆筒形平底立式容器。 储液罐结构具有大直径、薄壁的特点，抵抗载荷作用变形能力差。现在围绕 这个课题人们进行了很多研究，其中数值模拟被认为是有效、经济的方法之一。 本课题利用a n s y s 有限元分析软件进行数值模拟计算，分析外压作用下大型储液 罐的静力响应及安全性，为储液罐的结构设计提供可靠实用的有限元分析方法。 1 3 储罐分类及主要结构 储罐按几何形状分类，具体如下： 3 悲哀他下大学嫒1 ：学位论文 储罐 立式凰筒形储罐 叫篇燃 固定顶储罐 锥顶储罐 拱顶储罐 伞形顶锗罐 网壳顶储罐 卧式圆筒形储罐：适用于储存容量小且需要压力较高的液体。 球形储罐 椭球形 f 圆球形 l 水滴形 双曲线储罐：结构复杂、施工困难、造价高，理论上己被淘汰。 悬链式储罐：顶板过薄易积水、锈蚀，墨前已被淘汰。 图1 2 人型原油铭罐分类 f i g 1 1c l a s s i f i c a t i o no fl a r g ec r u d eo i lt a n k 按温度分类，可分为低温储罐、常温储罐( 9 0 ) 和高温储罐( 9 0 - 2 5 0 ) 。 按压力分类，可分为接近常压储罐( - - 4 9 0 2 0 0 0 p a ) 和低压储罐( 2 0 0 0 p a - - 0 1 m p a ) 。 按制造储罐的材料分类，可分为菲金属储罐、塑料储罐、软体储罐和金属储 罐。 按储罐所在位置和达到某种目的可分为地上储罐、地下储罐、半地下储罐、 山洞储罐、海中储罐以及利用地下废坑道、废矿穴改建地下的储库等。 本文主要研究立式豳篱形浮顶储罐。图1 - 3 1j 所示是罐体整体结构，主要出转 动扶梯、包边角钢、抗风圈、泡沫消防挡板、量液管、双盘顶、加强圈、密封装 置、浮项立柱、罐壁、罐底板和中央排水管组成。图1 - 4 所示是罐底板结构由边 缘板和中幅板组成。 4 第一章概述 图1 - 3 外浮顶罐 f i g 1 - 3o u t s i d ef l o a t i n gr o o f t a n k 加叠 一 图l - 4 罐底排版图 f i g 1 - 4p a t t e r no ft a n kb o t t o m 这类储罐内部受液压作用，从下往上液压逐渐减小。遵循等强度设计理念， 通常采用不等壁厚的圆柱形筒节焊接而成，从下往上数，第一圈壁板厚度最大， 往上依次减薄。实际上，油罐特别是空罐在j x l 压的作用下很容易产生失稳，因而 罐壁不能太薄，各国标准中都有一个最小公称厚度，表1 1 为g b5 0 3 4 1 2 0 0 3 ( 与 a p i6 5 0 一致1 及同本j i sb8 5 0 1 标准规定的罐壁最小公称厚度。目前我国建造的 1 0 万立方米及以上油罐的最小公称厚度为1 2 m m ，与同本j i sb8 5 0 1 标准一致； 同时，为防止失稳，油罐上部通常设置有抗风圈、加强圈等。 表1 1 不同油罐标准中罐壁的最小公称厚度【1 2 , 3 1 t a b l el - lt a n kw a l lm i n i m u mn o m i n a lt h i c k n e s sr e q u i r e m e n ti nd i f f e r e n ts t a n d a r d s g b5 0 3 4 1 - 2 0 0 3 ( a p i6 5 0 ) j i sb8 5 0 1 内径d m罐壁最小公称厚度m m内径d m罐壁最小公称厚度m m d 5 0 6 0 0l 一6 0 i ( a ) 罐底板的搭接接头 罐壁 必要时削边不开坡口或v 形坡1 3 i。，么 ， i ? 5 0 1 - i 一 一 6 0 0一i ( b ) 德底板的对接接头 图1 1 0 缶： f | 底板的搭接接头与对接接头 f i g 1 - 1 0l a pj o i n ta n db u t tj o i n to ft a n kb o t t o mp l a t e s 边缘板之间，边缘板与中幅板之间，以及中幅板之间的焊接，可采用搭接焊 结构，也可采用对接焊结构，如图1 1 0 所示。由于罐底与罐壁连接处，边缘板必 须平整，所以此部分的边缘板必须由搭接过渡为对接。在罐底与罐壁的连接焊缝 处，因受到液柱高度变化、内压及风载荷等变化而造成的重复弯曲载荷，再加上 载荷及基础下沉会引起变形，所以对焊接要求较高。罐底与罐壁底圈的内外角焊 缝均采用连续焊，焊接高度等于罐底边缘板厚度。当边缘板厚度大于或等于l o m m 时，为改善受力状况，避免应力集中，罐壁内侧角焊缝成圆滑的不等边角焊，如 图所示。 1 4 2 罐壁介绍 1 4 2 1 罐壁厚度的计算方法 目前，在国内外油罐工程建设项目中，使用的主要规范有我国标准g b 5 0 3 4 1 - - 2 0 0 3 立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范、美国石油学会标准a p l 6 5 0 钢制焊 接油罐、同本工业标准j i s b 8 5 0 1 钢制焊接油罐的结构、英国标准b s 2 6 5 4 石 油工业立式钢制焊接油罐等。 9 北京化t 大学顾。f = 学位论文 不同标准的罐壁强度计算公式如下： 1 中国g b 5 0 3 4 1 2 0 0 3 立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范： f 4 0 9 p ( h 一0 3 ) 0 ( 1 - 1 ) j = 一 口 【拶】矗妒 ，4 9 ( h 一0 3 ) d ( 1 2 ) 【仃i t t 。储存介质时计算厚度，燃t 。试水时的计算厚度，m m p 储液相对密度d 储罐内直径，m h 计算罐壁板底边至罐壁顶端( 当有溢流口时，为至溢流口下端) 的距离， o 。设计温度下钢板的许用应力，m p a 0 。常溢下钢板的许用应力，m p a 巾焊接接头系数，取0 9 ：当标准规定的最低屈服强度大于3 9 0m p a 时底圈 罐壁取o 8 5 2 美国a p l 6 5 0 钢制焊接油罐： t d 暑2 6 d 1 ( h _ - 1 ) g + c a f 2 6 d ( h 1 ) ) l s 。u t 。储存介质时计算厚度，m mt 。试水时的计算厚度，m m d 油罐公称直径，f tg 储液重度 l 储液高度，f tc 腐蚀余量，i n 3 同本j i s b 8 5 0 1 钢制焊接油罐的结构： f 兰趔掣+ c ( 1 - 5 ) o 2 ，叩 ” t 罐壁最小厚度，f i f t ho 储罐内直径，m h 由该段壁板下端到设计液位高度p 介质重度( 当小于l 时取1 ) f 母材的许用应力，m p a r l 焊接接头系数， 一般取1 0 0 ， 第一层取8 5 4 英罾b s 2 6 5 4 石油工业立式钢制霹接油罐： 1 0 第一章概述 t 高9 8 ( h 一0 3 ) + p 1 + c ( 1 - 6 ) 2 0 s 、7。 t 罐壁最小厚度，n l md 储罐内直径，m 由该段壁板下端到设计液位高度s 设计许用应力，n m i l l 2 w 介质密度，g m l ( 取值不得小于1 )c 腐蚀裕量，m m p 设计压力，m b a r ( 对无压罐可忽略不计) 储罐的罐壁计算厚度主要取决于罐壁材料的许耀应力、储液密度、焊接接头 系数、储罐的直径和高度等参数。当容积一定时，确定合理的高度和直径则直接 影响储罐的经济性。焊接接头系数美国和英国都取l ，日本底圈罐壁取0 。8 5 ，我匿 取0 9 ，底圈也耿0 8 5 ，相比较而言较保守，但随着我国的大型原油储罐制造安 装和检验技术的不断成熟，相信以后我国在设计储罐时选择焊接接头系数时也和 英美一样取l 。计算液位高度英美r 都是取储液高度，我国取罐壁高度，大型储罐 罐壁高度一般比储液高度高l 。6m 左右，这样在其它参数相同的情况下，我国的 计算壁厚比美国标准的计算壁厚增加厚度l 莲m i l l 。融此可见，用美国a p l 6 5 0 标准 设计油罐更加安全合理。国内目的建成的大型储罐采用美国a p l 6 5 0 标准进行设计 的也是最多的，其次是早期弓| 进的按日本标准设计豹 油罐。 外浮顶油罐的设计主要借鉴同本的技术，并根据实际情况进行了修改。目前， 国内设计院均采用日本j i s b 8 5 0 1 和美国a p l 6 5 0 规范，在兰炼、镇海、赢桥和燕山4 家使用企业中，除镇海外，其他3 家都按美国a p l 6 5 0 规范对罐壁第二圈板( 由下 至上) 的厚度做了些调整。 在此次2 0 万立方米原淮储蠢辇的设计过程中，我们将严格按照r 本j i s b 8 5 0 1 钢 制焊接油罐的结构规范进行设计。 我圈工程设计中，罐壁厚度的计算方法通常有三种： 1 定点法：是以高出每圈罐壁板底面0 3 0 0 m ( 1 f t ) 处的液体压力来确定每圈 板厚度的方法。多用于容积较小的储罐，对于直径大于6 0 m 的储罐采用此方法计 算的应力值与实测应力值差别较大，基于g b 5 0 3 4 1 标准或s h 3 0 4 6 标准。 2 变点法：考虑了相邻圈罐壁板之间不同厚度的互相影响，对每圈罐壁板 采用距罐壁底面高度不同的设计点计算壁辱，从而使每一圈罐壁板中的最大应力 接近钢板的许用应力。此方法适用于l h 1 0 0 0 6 的储罐。其中： l 一( 5 0 0 d r ) 0 。5 ，l l l m ； d 一储罐直径，m ； t 一储罐底圈壁厚，f i l m ； 一设计液位高度，m 。 3 碰力分析法：对于l h 1 0 0 0 6 的储罐，宜采用应力分析法柬设计储罐壁厚， 北京化t 人学硕上学位论文 保证储罐满足强度要求。 计算出的罐壁厚度应圆整至钢板的规格厚度，且应不小于规范所规定的最小 罐壁厚度。表1 2 列出了s h 3 0 4 6 9 2 石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范 规定的罐壁的最小厚度。 表1 - 2s h3 0 4 6 9 2 规定的罐壁最小厚度【4 1 t a b l e1 - 2t a n kw a l lm i n i m u mt h i c k n e s sr e q u i r e m e n ti ns h3 0 4 6 9 2 钢板最小规j咯厚度，m m 储罐内径d ，m 碳素钢不锈钢 d 1 654 1 6 d 3 565 3 5 d 6 08 6 0 7 51 2 1 4 2 2 定点法设计罐壁厚度 大型储罐的罐壁厚度与直径之比很小，属于薄壁容器，所受弯曲力矩较小，故 目前国内外大多按薄膜理论计算罐壁应力。储罐在接近常压条件下储存液体时， 罐壁沿高度所受内压力主要是液体静压和较低的气相压力。在液面处罐壁的计算 压力为气相压力p o ，而距液面y 处罐壁的计算压力为( p o + pg y ) 。 其中：p 厂气相压力，p a p 储液密度，k g m 3 广重力加速度，取9 8 1 m s z 则由力的平衡，求得罐壁任一点x 处的应力为： q ；逝业掣乖眵 ( 1 7 ) z i y 式中：驴一储罐内径，m t ，罐壁上计算点的厚度，m 【o1 罐壁材料的许用应力，m p a 巾焊缝系数 广罐壁任一点x 距离液面的高度，n l 由式( 1 7 ) 可以导出罐壁任一点的计算厚度，按照下式计算，即： 1 2 第一章概述 f 。； ( p o + p g y ) 1 1 0 6 x d ( 1 8 ) i 昌一 、_ 一f ， 2 1 0 用式( 1 - 8 ) 计算出的罐壁截面是呈三角形变化的。考虑到实际工程中罐壁 用阶梯形截面代替三角形截面，选定每一层圈板液压计算高度时，若选在圈板上 端高度进行设计，则不够安全；选在圈板下端，又趋于保守。根据理论和实际测 定，每层圈板坏向应力最大的地方不在圈板的下端，而通常在距离每圈板下端 0 3 0 0 m 以上处，简化计算罐壁的设计厚度的公式为： ；0 0 0 1 p o _ + p 汇g ( 五h - 0 一3 0 0 ) d + c 1 + c 2 ( 1 9 ) 正=一十l十乙 上了 2 【仃】f 驴 1 式中：t l 储液时该圈罐壁的设计厚度，m m h 所计算圈板底边至罐壁顶端( 当设有溢流口时，应至溢流口下沿) 的 垂直距离，m d 一储罐内直径，m 【o1 l 设计温度下罐壁钢板的许用应力，m p a 巾焊缝系数，取0 9 c 1 钢板负偏差，m m c 厂腐蚀裕量，m m 计算壁厚时，不但要按储装实际液体计算，而且还要按试水情况核算( 此时 c 2 可不计) ，计算公式为： t ：+ c 。；+( 1 2 ( h - 0 3 0 0 ) g d 4 9 ( h - 0 3 0 0 ) d c l 1 0 ) 2 【o p 1 【o l 式中：【o1 常温下罐壁钢板的许用应力，m p a 罐壁的厚度为上述两种工况计算出的较大值，罐壁最终名义厚度还应将设计 厚度向上圆整至钢板的规格厚度，且不小于规定的最小厚度值。 1 4 2 3 变点法设计罐壁壁厚 对于容积较小的储罐，采用定点法设计罐壁厚度计算简便，结果以足够安全。 但对于容积超过5 1 0 4 m 3 的储罐，采用定点法计算罐壁厚度时，该点的计算的罐 壁应力与实际应力值差别较大。因此对于容积较大的储罐宜采用变点法进行设计。 现将美国a p l 6 5 0 标准中的变设计点方法介绍如下，公式中的变量直接采用a p l 6 5 0 的符号。 1 底圈圈板的壁厚计算 ( 1 ) 先按定点法计算式( 1 - 9 ) 、式( 1 1 0 ) 就操作和试水两种工况算出底圈 北京化t 大学硕上学位论文 壁厚初值t p d 和t p i o ( 2 ) 分别用式( 1 1 1 ) 和式( 1 1 2 ) 就操作条件和试水条件两种工况算出底 圈壁厚t l d 和t l t 。 操作所需壁厚： 铲m 咻丁0 0 6 9 6 d 等，半+ c a 试水所需壁厚： 呲半侮半 注：t l d 不许大于t p d ，t l t 不许大于t p t 。 式中：d 一储罐内直径，m ； h 一储罐设计液位高度，m ； g 一储液相对密度( 对于水，g = 1 0 ) ； p 0 一储罐内气相剩余压力，p a ； s d 一设计温度下罐壁钢板的许用应力，m p a ； s 。一水压试验下罐壁钢板的许用应力，m p a ； c a 腐蚀裕量，m m 。 2 第二圈板的壁厚计算 为计算出第二圈板的操作和试水两工况下的壁厚，需要首先计算底圈的比值 h ， 缈2 - 7 兰 (113)4 r t l 、7 式中：h l 一底圈罐板高度，m m ； r 一储罐公称半径，m m ； t l 一底圈壁板有效厚度，m m ；操作条件下不计腐蚀裕量；试水条件下为罐 壁板的全厚度。 ( 1 ) 当v 1 3 7 5 时，t l = t 2 式中：t 2 一第二圈板壁厚，m m 。 这种情况意味着，当底层圈板宽度较窄( h l 小) 、储罐容积较大( r 、t 1 大) 时， 储罐最大应力要落在第二层圈板上，故需使第二层圈板与底圈板等厚。 ( 2 ) 当1 i ，2 6 2 5 时，t l - - - t 2 。 式中：t 2 。一按第二圈以上罐壁计算方法求得的第二层圈板厚度( 见厚t x ) ，m m 。 这种情况意味着，当底层圈板较宽( h 1 大) 、储罐容积较小( r 、t l 小) 时，底 1 4 第一章概述 板的约束对第二层圈板几乎没有影响，底层圈板的最大应力靠下，此时第二圈板 的壁厚可与第三圈、第四圈的圈板同等对待。 ( 3 ) 当1 3 7 5 0 嚣气 o ，夕 ：- 簌各 h ： “气 庐：鹣 e o | f r 严o 弋 ( c ) 稳定的对称分支删曲d ) 不稳定的互秣分乏l i i l l l l l 图2 2 缺陷对各种屈曲的影响 f i g 2 - 2i n f l u e n c e so fi m p e r f e c t i o no nb u c k l i n g 2 3 临界载荷计算方法 2 3 1 特征值屈曲分析方法原理 为： 以m 表示结构刚度矩阵k 的特征值0 | ，则有： k z i - - i i z i 式中，z i 为特征值胁对应的特征向量即屈曲模态。 k = k m + k g ( 2 1 ) 刚度矩阵k 可以分解表示 ( 2 2 ) 式中：硒表示跟材料弹性相关的矩阵部分；表示跟结构应力相关的矩阵部 分。若忽略结构在屈曲6 仃的几何变形，并假设结构只在弹性范围内工作，则该式 可做部分线性简化1 l 。 北京化丁人学硕l ：学位论文 k = k o + ( 2 3 ) 式中：硒和硒分别表示参考位形( 初始位形) 下k m 和的值，且k o = k m ， k 1 ：k d 2 l ，九表示外力载荷因子。 上述简化忽略结构屈曲前的几何变形，并认为结构应力随外力按比例变化。 根据刚度奇异判定原理，结构的l 临界载荷沁r 及对应的屈曲模念z 可以通过下式得 到： k z = + 2 懂1 ) z = 0 ( 2 - 4 ) 上述方法即是广泛使用的特征值屈曲分析方法，该方法避免了复杂的非线性 迭代计算，简单易用。 2 3 2 特征值屈曲分析方法适用范围分析 上述方法由于对非线性问题进行了部分线性化，从而其适用性具有一定的限 制范围。 ( 1 ) 结构系统必须为保守系统，并且载荷随变形按比例变化。 ( 2 ) 材料必须在线弹性范围内工作，因此不能够计算弹塑性屈曲载荷，对于只 有材料软化情况下彳。会出现的屈曲失稳形式则无能为力。 ( 3 ) 根据特征值屈曲分析原理，在一般假设下，特征值屈曲分析方法计算所对 应的临界点为对称分支点。对于极值点屈曲或不对称分支屈曲形式，尽管根据实 际计算经验，特征值屈曲分析方法也能给出较满意的临界载荷估计，但从原理上 该方法并不严格适用，尤其是对极值点问题易出现较大偏差。 ( 4 ) 特征值方法中，由于假设k o = k m ，则忽略了结构屈曲i j 的变形，对于几 何软化结构，则高估了结构刚度，造成临界载荷计算值偏大。但对于某些形式的 结构，载荷作用下，结构会随变形发生明显的内力重分布现象，使其刚度增加， 因此结构实际临界载荷将大于特征值屈曲值。 ( 5 ) 由于不可避免的缺陷及扰动，结构常常表现出极值点失稳形式。结构实际 的临界载荷同特征值屈曲计算将有差别。根据上述缺陷对临界点的影响分析可知， 不稳定的对称分支屈曲对缺陷很敏感，因而其特征值屈曲分析结果将明显大于实 际临界载荷值，平面内受载的薄板即如此；对于稳定的对称分支屈曲，分支点处 无失稳现象，结构失稳将由后续第二临界点控制，因而特征值分析结果将低于结 构实际临界载荷，经典的欧拉轴压杆则属此种情形。这两种缺陷影响幅度若较大， 则皆不适合采用特征值屈曲分析。例如圆柱形网壳结构，在微小缺陷下临界载荷 迅速降低为无缺陷时的6 3 ，并且证负缺陷( 同一阶屈曲模念方向一致为正缺陷， 相反为负缺陷) 作用下结构临界载荷皆减小，反映出不稳定对称分支屈曲的特征。 出上述分析可总结出，特征值屈曲分析适用于直柱、框架( 竖向载荷) 及平板 第- 二章屈曲分析摹本理论 ( 平面内载荷) 等类型的结构，不适用于拱、壳等缺陷敏感结构。 2 3 3 非线性屈曲分析方法及其施加缺陷的原则 相对于特征值屈曲分析，非线性屈曲分析是更为准确的分析方法。采用各种 增量法，如各种类型的弧长法扎j 1 1 对结构进行非线性全过程跟踪分析，则可以 得到结构的极值点屈曲载荷。若增量计算中辅以临界点判定u 沪，则可以得到分 支屈曲载荷。但目前该方法操作难度较大。文献 1 8 ，1 9 提出了扰动法来跟踪结构 分支路径，文献 1 5 ，1 6 也通过扰动法实现了对单层网壳分支路径的跟踪。目前这 种方法尚未完善，一些参数的选取依赖较高的经验性，因而难度较大，未被广泛 使用。由上述缺陷影响分析可知，分支点在缺陷影响下，转化为极值点屈曲形式， 因此实际工程中主要采用施加初始缺陷的方法来近似跟踪结构非线性屈曲路线。 对于施加何种模态形式的缺陷，文献 2 0 提出了一致模念缺陷法，即按同一阶特 征值屈曲模态相一致的位形来施加缺陷。该方法得到了普遍应用，但在采用该方 法仍应注意下面的问题。 由于事先并不能判断结构屈曲是极值点或分支点型，故普遍先由特征值屈曲 分析得到结构的一阶屈曲模态。对于分支点屈曲，该方法很有效；但对于极值点 屈曲，由于上述特征值屈曲适用性，得到的一阶屈曲模念若作为缺陷施加，则易 产生人为增大临界载荷计算值的错误。 因此对可能为极值点屈曲的结构，非线性屈曲分析需施加正负缺陷比较。 2 4 本章小结 本章根据特征值屈曲分析方法的原理，讨论了特征值屈曲分析的适用范围； 分析了不同屈曲形式的屈曲后路径发展特征，进而分析了不同屈曲形式在初始缺 陷下的性能，并掘此探讨了非线性屈曲分析中仞始缺陷的施加原则，总结如下： ( 1 ) 特征值屈曲分析临界载倚计算值有可能比非线性屈曲分析计算值大，也有 可能小，取决于结构形式。 ( 2 ) 缺陷对不同类型的屈曲临界点影响是不同的，分析结构的缺陷影响需结合 结构屈曲临界点的形式。对极值点屈曲结构进行屈曲分析，需施加j 下负缺陷进行 比较，以得到最不利临界载荷值。 ( 3 ) 结构屈曲失稳前某些应力集中的构彳牛可能已经进人塑性，由于塑性对临界 载荷有明显的降低，因此需进行弹塑性计算爿可进一步准确判断结构真实临界载 荷。 北京化t 人学硕l ：学位论文 析。 ( 4 ) 对于同一临界点位置具有多条分支路径的情形则更为复杂，需做进一步分 第三章人型储罐外爪稳定性分析 第三章大型储罐外压稳定性分析 大型储罐为大型的薄壁结构，其主要失效形式不是强度失效而是失稳失效。 在满足稳定性要求的前提下，筒体的强度一般是满足要求的。屈曲分析就是一种 用于确定结构丌始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状( 结构发生屈曲响应时 的特征形状) 的技术。因此，大型储罐的屈曲分析十分重要。本章采用a n s y s 有 限元分析软件，通过建立合理有效的有限元模型，针对某工程的大型储罐做屈曲 分析研究。 3 1 通用有限元程序a n s y s 简介 a n s y s 是国际通用的有限元程序，它可以对结构进行静力、动力、屈曲、非 线性分析，也可以进行热分析、流体流动分析和多物理场耦合分析等。采用a n s y s 进行计算机分析或模拟，可以优化设计，改善产品性能，缩短产品的丌发周期。 在3 0 多年的发展过程中，a n s y s 不断改进提高，功能不断增强，目自仃最新的版 本已发展到1 1 0 版本。 该软件具有以下几个主要特点： ( 1 ) 完备的前处理功能。a n s y s 不仅提供了强大的实体建模及网格划分工 具，可以方便地构造数学模型，而且还专门设有用户所熟悉的一些大型通用有限 元软件的数据接口( 如m s c n a s t r a n ，a l g o r ，a b a q u s 等) ，并允许从这些 程序中读取有限元模型数据，甚至材料特性和边界条件，完成a n s y s 中的初步建 模工作。此外，a n s y s 还具有近2 0 0 种单元类型，这些丰富的单元特性能使用户 方便而准确地构建出反映实际结构的仿真计算模型。 ( 2 ) 强大的求解器。a n s y s 提供了对各种物理场的分析模拟，是目前唯一 能融结构、热、电磁、流体、声学等为一体的有限元软件。除了常规的线性、非 线性结构静力、动力分析外，还可以解决高度非线性结构的动力分析、结构非线 性及非线性屈曲分析。提供的多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配 置。 ( 3 ) 方便的后处理器。a n s y s 的后处理分为通用后处理模块( p o s t l ) 和 时间历程后处理模块( p o s t 2 6 ) 两部分。后处理结果可能包括位移、温度、应力、 应变、速度以及热流等，输出形式可以是图形显示和数据列表两种。 ( 4 ) 多种实用的二次丌发工具。a n s y s 除了具有较为完善的分析功能外， 同时还为用户进行二次丌发提供了多种实用工具，如宏( m a r c o ) 、参数设计语言 ( a p d l ) 、用户界面设计语言( u i d l ) 及用户编程特性( u p f s ) 等，其中a p d l 北京化t 人学硕l ：学位论文 ( a n s y sp