2万m3立式锥顶储罐弱顶结构分析与评价.pdfVIP

第 39 卷第 4 期 2010 年 7 月 石 油 化 工 设 备 P E T R O C H E M IC A L E Q U IP M E N T V o 1 3 9 N o 4 Ju ly 20 10 文章编号 1000 7466 2010 04 0031 05 2 万 1113 立式锥顶储 罐弱顶结构分析与评价 刘 巨保 胡衍明 丁宇奇 武铜柱 1 大庆石油学院 机械科学与工程学 院 黑龙江 大庆163318 2 中国石化工程建设公 司 北京100101 摘要 以 2 万 m 立式锥顶储罐为研 究对 象 针 对 A P I 650 2008 钢制 焊接 油罐 G B 50341 2003 立式 圆筒形钢制焊接油罐设计规范 和 SH 3046 92 石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设 计规范 标准设计的弱顶结构 采用有限元法进行储罐应力分析和稳定性计算 得到 3 种标准设计 的弱 顶结 构在 满罐 和 空罐 3 况 下的 强度 破 坏 压 力 失稳 破 坏 内压 并 与 A PI 650 2008 钢 制 焊接 油罐 公式 计算 的破 坏 内压进行 了对 比 最 大误 差低 于 63 Pa 为评 价 3 种标 准设 计 的弱 顶结构破 坏 形式提供 了依 据 关 键词 储罐 弱顶结构 有限元 强度 稳定性 分析 中图分 类号 T E 972 1 T Q 050 2 文 献标志 码 A A n a ly si s an d E va lu a ti o n fo r We ak p ro o f S tru c tu re of 2 X l 0 m V erti c a l C on e ro o f O i l T an k L IU Ju bao H U Y an m i n g D IN G Y u q i WU T on g zh u 1 C ollege o f M ec h ani c al S c i en c e an d E n g i n eeri n g D aqi n g P etro leum Insti tu te D aqi ng 163318 C hi na 2 C hi na P etroleum C hem i c al C orporati on B eji ng 100101 C hi na A bstrac t E xam ple for 2 1 0 m verti c al c on e roo f o i l tan k ai m at w eak p roof desi g n o f A P I 650 2008 Weld ed S teel T an k fo r O i l S torage G B 503 41 2003 D esi g n C ri teri a of V erti c al an d C yli n dri c al Weld ed S teel T an k for O i l S torag e S H 3O46 92 P etroc hem i c al D esi g n C ri teri a o f V erti c al an d C yli n dri c al W elded S teel T ank for O i l S torag e th e stress an alysi s an d b uc kli n g an alysi s by F E M w ere rec ei v ed th e d i fferen t i n ten si ty b reak pressu re an d bu c k li n g b reak pressure am on g three c ri teri o n on em p ty tank an d full tan k T h e results b ei n g c om p ared w i th th eo ry for m u la of A P l 650 2008 th e m ax i m um di fferenc e w as b ello w 63 P a T hi s nu m eri c a1 valu e prov i d ed th eory ev i d en c e for w eak proo f fo rm s i n th ree c ri teri o n s K e y w o rd s o i l tan k w eak p roof stru c ture fi n i te elem en t i nten si ty stabi li ty an aly si s 固定顶储罐是 国内外 大量使用 的一种储 罐形 式 对于采用弱顶结构储罐的定义是 在储罐遭到 意外 超压情 况 下 破 裂 一 般 发 生在 罐顶 或 罐 顶 与 罐 壁连接处 此时罐壁及罐底拥有足够的安全裕度 能 够防止所储存的易燃易爆液体外泄 避免带来更大 的次 生灾害u j 国外调查表 明 对于 2 个相同规格 的固定 顶储 罐 起火后弱顶结构罐的罐顶与罐壁整体脱离 罐壁 以下结构完好 而非 弱顶结构罐则发生倾倒 整体 报 废 6 因此 固定 顶 储 罐 应 尽 可 能设 计 成 弱 顶 结构 即罐顶与罐壁采用弱连接 目前 国内外标 准对 储罐 的弱顶结 构 设 计 要 求 不 同 有 些学 者 对 小 于 5 000 m 的储罐 弱顶结构进行 了研究l g 本文 以2 万 m 立 式 锥 顶 储 罐 为研 究 对 象 针 对 A P I 收稿 日期 2010 01 28 作者 简介 刘 巨保 1963一 男 山西大同人 教授 主要从事石油化工设备力学分析及应用 的教学 及科 研工作 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 石油化工设备 2010 年第 39 卷 650 2008 钢制焊接油罐 G B 50341 2003 立式 圆筒形钢制焊接油罐设计规范 和 SH 3046 92 石 油化工立式 圆筒形钢制焊接储罐设计规范 标准设 计 的弱顶结构进行分析 1 为该类储罐的弱顶结 构 设计 和破 坏形式 评价 提供 依据 l 立式锥顶储罐和弱顶结构 2 万 m 立式锥顶原油储罐 内径 38 m 罐壁板 自底 向上由 1O 圈壁板组成 板高均为 1 78 m 其中 第 1 8 圈壁板选 用 SPV 490Q 钢板 厚度 分别为 1 9 m m I 6 m m 1 4 m m 1 3 m m 1 1 m m 1 0 m m 8 m m 8 m m 第 9 圈壁板 选用 16M nR 厚 度 8 m m 第 1O 圈壁板选用 Q 235 B 厚度 8 m m 罐顶板选用 Q 235一 B 厚度 8 m m 包边角钢选用 Q 235一 B 储罐地 基 由外侧的混凝土圈梁和内部的回填沙组成 一 般来说 储罐的弱顶结构由罐顶板 包边角钢 以及与包 边 角钢相 连接 的壁板 组成 在 图 1 所示 的 弱顶结构设计 中 文献 10 123 中规定罐顶与包边 角 钢 的夹 角不 大于 9 5 即锥 顶坡 度 不 大于 1 6 但 在连接罐顶与包边角钢焊缝的高度 下文简称焊高 方面存在差异 其 中文献 1O 规定不大于 5 0 m m 文献 11 规定不大于 4 5 m m 文献 12 规定不大 于 4 0 m m 考虑到弱 顶结构 发生破 坏 时 罐 壁 和罐底 保 持 安 全 状 态 取 SPV 490Q钢 板 的 屈 服 应 力 为 490 M Pa 强 度 极 限为 610 M Pa Q 235一 B 材 料 的 屈 服 应 力 为 235 M P a 强 度 极 限 取 最 大 值 为 470 M Pa 焊缝材料 的力学性能取其相连接件材料 的最 小值 图 1锥顶储罐弱顶结构示意 图 2 立式锥顶储罐 强度及稳定性分 析 立式锥顶储罐径厚 比很大 属薄壁圆柱壳结构 在进 行储 罐弱 顶结 构 破 坏 压力 分 析 时 应 考 虑 储 罐 各部 件 和连接 焊缝 的应 力 和 强度 同 时也 应 考 虑罐 顶包边 角钢 附 近处 的失 稳 因此 本 文 根据 锥 顶储 罐结构和分析要求 分别建立轴对称和空间结构有 限元模型进行强度 和稳定性计 算 确定储罐 的破坏 压力 评价储罐发生破坏的形式 2 1 轴对称有限元模型 研究对象为 2 万 m 立式锥顶储罐的任一轴对 称面 考虑各部件连接焊缝 罐底 与地基沙石和碎 石相互接触作用 建立 轴对称非线性有 限元模 型 罐体及地基采用 P lane 42 单元 底板和地基接触面 采用接 触 单 元 c ontac t172 和 target169 整 个 模 型 划分为 15 655 个单元 和 15 935 个节点 其中罐体离 散 为 12 415 个 单 元 和 14 528 个 节 点 地 基下 部处 理为全约束 储罐 的中轴线位置施加轴对称边界约 束 对该模型求解 可得到各部件及焊缝处的应力 从而完成储罐的强度分析 2 2 空间结构有限元模型与稳定性分析 稳定性分析是得到储罐整体结构发生内压失稳 时的临界压力 需考虑其空间结构 可忽略地基的影 响 选择整个储罐为研究对象 建立空间结构有限 元模型 罐体采用 Shell 93 板壳单元 整个模型划 分为 4 024 个单元和 12 722 个节点 其中罐顶离散 为 2 915 个 单元 和 8 728 个 节点 3 有限元计算 结果与分 析 3 1 应力计算结果与强度分析 根据所建立的轴对称有 限元模型 计算 了文献 1O 1213 种标准设计的不 同弱顶结构在空罐 满 罐工况下 的应力 按照文献 10 设计 的弱顶结构 坡度 1 6 焊高 5 0 ra m 在空罐工况下的应力分布 见 图 2 图 5 34 7 0 22 2 5 6 14 一 l6 6 94 8 15 l 14 4 2 4 3 0 1 8 4 l 一 2 1 1 8 8 12 1 8 17 30 2 75 59 60 5 图 2 罐顶与罐壁连接处环 向应力分布图 由图 2 和图 3 可知 在罐顶与罐壁连接处形成 受压 区 最大环向压应力为 347 022 M Pa 最大等效 应力 为 470 275 M P a 其 最 大 工作 应 力 已略 大 于强 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 4 期 刘巨保 等 2 万 i rt 立式锥顶储罐弱顶结构分析与评价 度极限 罐顶与罐壁连接处达到强度破坏 满足弱顶 结 构设计 要求 此 外 该环 向压 应 力 还 可 能造 成 罐 顶与罐壁连接处失稳破坏 由图 4 和图 5 可知 罐底处 的最大等效应力为 52 982 M Pa 发生在罐底与罐壁相连接的内侧大角 焊缝处 储罐内壁 1 9 圈壁板 的等效应力较小 第 1O 圈壁板靠 近包边角钢处 等效应力最 大 其值 为 209 117 M Pa 这些工作应力均小于材料 的屈服应 力 处 于安全 状态 3 种标准设计 的不 同弱顶结构在空罐 满罐工 况下 主要部件的最大应力和强度评价结果见表 1 l6 5 75 2 2 4 1 88 3 3 l8 0 14 3 9 4 14 5 4 70 2 75 图 3 罐顶与罐壁连接处等效应力分布 图 豳麓嘲 霸酾 器 嚣 1 0 4 4 12 118 2 3 7 9 4 3 5 4 6 9 47 1 14 6 2 8 1 17 9 56 2 9 6 3 1 4 1 30 7 52 98 2 图 4罐底 与罐壁 连接 处等效应 力分布图 图 5罐 内壁应力分布 曲线 在表 1 强度评价 中 根据工作应力和材料的力学性 能 定义安全状态为工作应力小于屈服应力 塑性变 形为工作应力位于屈服应力和强度极限间 强度破 坏状态为工作应力略大于强度极限 从表 1 中可见 不同弱顶结构储罐在空罐和满 罐工况下 储 罐 的最 大应力 均发 生在罐顶 与罐 壁 连接的焊 缝处 次大应 力发 生在罐底 与罐 壁连接 处 的大 角 焊 缝 符 合 弱 顶 结 构设 计 要 求 罐 顶 罐 顶与罐壁连接处在空 罐和满罐工况下 的等效应力 基本相 同 而罐壁 罐底 与罐壁 连接 处在空罐工况 下的等效 应力 明显小 于满罐 工况 由此 可得 无 论是在空罐还 是满罐 工况下 弱顶结构 发生 强度 破坏压力基本相 同 均发生在罐顶与罐壁连接处 随着储罐锥顶 坡度 的下降 弱顶 结构发 生强度 破 坏 压 力 也 在 减 小 随 着 焊 缝 尺 寸 的减 小 储 罐 的 破坏压 力也显 著降低 因此在设 计 和施工 中 为 确保弱顶结构的保 护作用 应严格 控制焊缝尺寸 这也是 3 种标准对 焊缝 高度做 出严格规范 的主要 原因 另外 从表 1 可见 当采 用文献 12 设计焊 缝高度为 4 0 m lTl 在罐顶与罐壁连接处发生强度 破 坏 时 罐 顶 不 发 生 塑 性 变 形 处 于 安 全 状 态 而 采 用 文 献 10 11 标 准 设 计 的 焊 缝 高 度 为 4 5 m m 和 5 0 m m 时 罐顶 与罐壁连 接处发生 强 度破坏和罐顶发生塑性变形 同时出现 3 2 失稳破坏与破坏压力分析 根 据空 间结 构有 限元 模 型 可求 得 不 同锥 顶 坡 度储罐发生失稳破坏时的最小临界 内压 见表 2 坡 度为 1 6 弱顶储罐发生一阶失稳波形见图 6 a1储罐整体失稳图 b 罐顶轴向失稳图 c 包边 角 钢处径 向 失稳 图 图 6储罐顶板 边缘板和包边角钢一阶失稳波形图 由表 2 和图 6 可知 随着锥顶坡度下降 储罐发 生失稳破坏 内压显著变小 一阶失稳破坏发生在罐 顶与壁板连接区域内 其中顶板边缘板沿储罐 圆周 在高度上呈现出失稳波形 包边角钢沿储罐 圆周在 径向上也出现失稳波形 这说 明在罐顶与罐壁连接 w 较 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 34 石油化工设备 2010 年第 39 卷 5 0 1 6 文献 1o 4 5 1 6 文献 113 4 0 1 6 文献 12 5 0 1 7 文献Eto 4 5 1 7 文献 113 4 0 1 3C献ElZ 5 0 1 8 文献 1O 4 5 1 8 文献 11 4 o 1 8 文献ElZ 5 O 1 9 文献ElO 4 5 1 9 3c 献 4 O 1 9 文献 12 罐顶 罐顶处焊缝 罐壁 一二层壁板连接处 罐底 罐底与罐壁连接处 罐顶 罐顶处焊缝 罐壁 一二层壁板连接处 罐底 罐底与罐壁 连接处 罐顶 罐顶处 焊缝 罐壁 一二层壁板连接处 罐底 罐底与罐壁连接处 罐顶 罐顶处焊缝 罐壁 一二层壁板连接处 罐底 罐底与罐壁连接处 罐顶 罐顶处焊缝 罐壁 一二层壁板连接处 罐底 罐底与罐壁连接处 罐顶 罐顶处焊缝 罐壁 一二层壁板连接处 罐底 罐底 与罐壁连接处 罐顶 罐顶处焊缝 罐 壁 一二层壁板连接处 罐底 罐底与罐壁连接处 罐顶 罐顶处焊缝 罐壁 一二层壁板连接处 罐底 罐底与罐壁连接处 罐顶 罐顶处焊缝 罐壁 一二层壁板连接处 罐底 大角焊缝处 罐顶 罐顶处 焊缝 罐壁 一二层壁板连接处 罐底 罐底与罐壁连接处 罐顶 罐顶处焊缝 罐壁 一二层壁板连接处 罐底 罐底与罐壁连接处 罐顶 罐顶处焊缝 罐壁 一二层壁板连接处 罐底 罐底与罐壁连接处 2 8 4 0 0 6 4 7 0 2 7 5 4 9 3 0 5 2 9 8 2 2 4 3 0 0 6 4 7 1 2 7 4 6 74 5 7 8 34 5 2 12 8 4 2 4 7 0 3 2 8 7 9 6 7 9 4 8 8 8 2 8 3 4 2 2 4 7 0 8 5 6 6 4 8 9 7 4 8 5 7 2 4 4 2 3 0 4 7 0 9 2 3 7 4 6 1 8 8 O 9 1 20 3 10 6 47 0 2 2 5 9 O 16 10 5 6 2 3 2 7 4 3 5 8 4 7 0 5 3 0 6 8 8 3 8 O 2 5 5 2 4 2 4 2 9 4 7 1 5 6 O 8 1 0 7 9 6 7 9 8 2 0 5 6 5 2 4 7 1 3 6o 9 18 2 1 1 1 13 4 2 6 9 2 16 4 7 1 1 3 6 7 6 o 9 9 0 1 O 1 2 3 7 7 0 0 4 7 1 1 o 3 8 6 7 8 1 0 4 4 3 8 2 0 0 0 8 5 4 7 0 8 3 3 9 6 4 7 1 1 7 6 7 1 2 84 12 9 4 7 1 30 0 1 58 73 3 4 12 3 4 2 2 4 3 9 1 5 4 7 1 O O l 1 5 8 O 8 6 3 9 1 3 2 O 2 1 2 9 3 0 4 7 1 1 6 5 1 5 7 7 5 6 3 8 0 0 9 4 2 8 5 3 5 8 4 7 1 25 2 1 58 8 4 1 3 7 6 12 9 24 8 9 3 5 4 7 1 5 4 9 15 7 1 6 8 37 1 1 2 9 2 0 4 1 4 8 4 7 1 7 2 0 1 5 7 o 6 8 3 6 3 7 4 2 2 7 8 8 7 9 4 7 1 5 3 8 1 5 7 9 9 2 3 70 27 4 2 4 3 5 1 7 4 7 1 3 7 1 1 57 O 6 8 3 63 17 5 20 5 9 4 7 4 7 1 6 1 4 1 5 6 8 7 9 3 5 8 7 6 8 2 7 1 5 1 5 4 7 1 8 6 2 1 5 7 5 5 o 3 6 5 5 7 3 2 3 8 7 3 1 4 7 1 7 8 6 1 5 6 94 1 3 5 8 4 63 2O 1 2 9 1 4 7 1 3 5 6 1 5 6 o o l 3 4 9 2 4 5 塑性变形 强度破坏 安全 安 全 塑性变形 强度破坏 安全 安全 安全 强度破坏 安 全 安全 塑性变形 强度破坏 安全 安全 塑性变形 强度破坏 安全 安全 安全 强度破坏 安全 安全 塑性 变 形 强度破坏 安全 安全 塑性变形 强度破坏 安全 安全 安全 强度破坏 安全 安全 塑性变形 强度破坏 安 全 安 全 塑性变形 强度破坏 安全 安全 安 全 强度破坏 安全 安全 1 4 9 5 1 4 9 5 1 4 9 5 1 4 9 5 1 3 5 2 l 3 5 2 1 3 5 2 1 3 5 2 1 I 7 7 1 1 7 7 1 1 7 7 1 1 7 7 1 3 6 1 l 3 6 1 1 3 6 1 1 3 6 1 1 22 4 1 2 2 4 1 2 2 4 1 2 2 4 1 0 7 0 1 0 7 0 1 0 7 0 1 0 7 0 1 2 9 5 1 2 9 5 1 2 9 5 1 2 9 5 1 1 4 3 1 1 4 3 1 1 4 3 1 14 3 1 o 18 1 o 1 8 1 o 1 8 1 o 1 8 1 2 1 8 1 2 1 8 1 2 1 8 1 2 1 8 1 o 9 6 1 0 9 6 1 0 9 6 1 0 9 6 o 9 6 2 o 9 6 2 o 9 6 2 0 9 6 2 1 4 8 7 1 4 8 7 1 4 8 7 1 4 8 7 1 3 4 3 1 3 4 3 1 3 4 3 1 3 4 3 1 17 O l 17 0 1 17 0 1 17 0 1 3 5 7 1 3 5 7 1 3 5 7 1 3 5 7 1 2 1 7 1 2 l 7 1 2 1 7 1 2 1 7 1 0 6 6 1 0 6 6 1 0 6 6 1 0 6 6 1 2 9 0 1 2 9 O 1 2 9 0 1 2 9 0 1 1 3 5 1 1 3 5 1 1 3 5 1 1 3 5 1 O 1 1 1 o 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 l 2 14 1 2 14 1 2 1 4 1 2 1 4 1 O 8 9 1 0 8 9 1 0 8 9 1 0 8 9 O 9 5 5 o 9 5 5 o 9 5 5 o 9 5 5 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 4 期 刘巨保 等 2 万 m 立 式锥顶储 罐弱顶结构分析与评价 表 2 不同弱顶结构强度破坏和失稳破坏 内压计算结果 区域 内的边 缘板 和 包 边 角钢 均 可 能发 生 失稳 破 坏 采用文献 1O3及文献 11 设计的弱顶储罐 其强度破 坏压力均 大于失稳破坏 内压 应先发 生失 稳破坏 采 用文献 12 设计的弱顶储罐 当锥顶坡度在 1 6 1 8 时 强度破坏压力小于失稳破坏 内压 应先发生强度 破坏 当锥顶坡度 为 1 9 时 应先 发生失稳破 坏 为了分析数值计算储罐破坏压力的可靠性 选 取文献 1O 中计算 储罐 破 坏压力 的公 式 P f一1 76A tg O D 0 08th 1 式 中 0 为罐顶与罐壁连接处夹角 tg 0 取 1 6 A 为 罐顶与罐壁连接处有效面积 取 4 480 m m t 为罐 顶公 称厚 度 取 8 m m D 为储 罐直 径 取 38 m 根据式 1 计算的储罐破坏压力见表 3 由表 3 可知 按式 1 计算的储罐破坏压力均大于数值计算 结果 与数值计算 的强度破坏压力接近 其 中与焊高 5 0 m m 的数值计算结果最 接近 其绝对误差小 于 63 P a 这说明文献 10 中计算公式考虑 了罐顶与 罐壁连接区的强度破坏 而未考虑其失稳破坏 表 3 不同弱顶结构 数值 计算破坏 内压及 理论公式计算结果对 比 4 结 语 1 按文献 1O 12 设计 的弱顶储罐在 内压作 用下强度破坏均发 生在罐顶与罐壁连接处 空罐和 满罐强度破坏压力基本相 同 随锥顶坡度下降破坏 压力降低 按文献 1O 设计 的弱顶结构发生强度破 坏压力最 大 与理论公式计算 结果误差低 于 63 Pa 按 文献 12 设计的弱顶结构强度破坏压力最小 2 3 种标准设计的弱顶储罐 内压失稳破坏均 发生在罐顶与罐壁连接区域 的边缘板和包边角钢 失稳破坏内压随锥顶坡度的下降而减小 采用文献 10 11 设计的弱顶结构失稳破坏内压均小于强度 破坏压力 先发生失稳破坏 采用文献 12 设计 的 弱 顶结 构 在 坡 度 为 1 6 1 8 时 失稳 破 坏 内压 大 于强度 破坏 压 力 先 发 生 强度 破 坏 在 坡 度 为 1 9 时先发 生失稳 破 坏 参考文献 E1 武 同柱 大型立式 油罐发展 综述 J 石油化 工设 备技 术 2004 25 3 56 58 2 Slone D y