大型油罐的静强度及动力相应分析

1、大型油罐的静强度及动力相应分析    【摘要】从基础必须适合上部结构构造特点的要求出发，分析了大型油罐的结构构造特点及其对基础的要求。探讨了大型油罐的静强度及动力，提出了大型油罐基础应该具备的技术性能和构造组成。 【关键词】大型油罐；静强度；动力；分析 众所周知，油罐基础是为上部罐体服务的，它必须适合于罐体结构构造的特点和要求。从这一基本原则出发，要想得到一个比较理想、安全可靠且经济合理的大罐基础，就必须首先了解大型油罐罐体的结构特点和要求，以便结合具体工程条件（罐型、地质、建材、环境、工艺要求等）进行基础设计。不顾及罐体结构构造特点，只从基础结构角度考

2、虑问题而完成的设计，不能算作好的设计。为此，下面首先介绍一下大型油罐的结构构造特点。 1大型油罐的结构构造特点 大型油罐是一个盛有万吨乃至10万吨以上可燃油液的薄壁容器，它是钢制立式筒形的，浮置在基础顶面上。图1是某10m3油罐的构造示意图，它主要由罐壁、底板和浮顶三部分构成。罐直径80m，高218m，由高强度钢板焊接而成，罐壁壁板厚32512mm，罐底底板厚2l12mm。罐壁底部以上形焊缝与底板的环形板相焊接，罐壁上部以型钢做成的抗风圈加强。罐浮顶是用薄钢板（45mm）焊成的盘型箱式密闭结构，像船一样浮于罐内油液液面上，随着油液液面的升降而起落。由于浮顶几乎全部消除了罐内的气体空间，而且浮顶

3、与罐壁之间的环形缝隙用弹性密封装置封严，从而大大减少了油品挥发损失，并增加了安全性。                                            

4、0;                                      图1大型油罐构造示意图 现对大型油罐的结构构造分析如下，从而探求它的结构特点。 （1）大型油罐是立式筒形钢板焊接结构，其高度及筒壁直径都很大，但高度仅

5、为直径的1/3左右，整体呈短粗圆筒状；罐体钢板厚度的最大值为325mm，与罐高或直径相比，比值都很小，且筒壁上部开口不封顶，故罐体整体柔性大、易变形；它几乎没有调整基础地基不均匀沉降的能力，反之，基础地基各种形式的不均匀沉降，几乎都会对罐体产生不同程度的影响 （2）罐壁的垂直柱面钢板，与罐底板的大致水平面钢板，在罐体下部正交焊接成一体，该部位是上形焊接结构，在静或动液压力作用下，受力非常复杂且不明确。它不但受梭位升降的影响非常显著，形成所谓低周高应力状态，而且对基础地基的不均匀沉降和地震作用反应极敏感，油罐的恶性事故大多由此而生。所以，此处是罐体的关键部位之一。 （3）罐壁垂直度或水平断面圆度

6、的偏差，对浮顶在筒壁内上下升降的灵活性有直接影响，偏差过大会使浮顶升降功能受阻。如果没有发生地震，而且在罐体安装精度符合规范要求的情况下，造成这一偏差的主要原因是基础地基的不均匀沉降。 （4）大型油罐的底板是直接在基础顶面上铺设、排板施焊的，因而有两个问题值得注意：其一，钢板的焊接变形是不可避免的，由于底板面积很大，为多块钢板焊成，所以实际的底板在焊成后并非是一块平整的薄板，而是充满局部凹凸变形的大致平整的薄板。这些凹凸变形或局部鼓起，如果不能与下面的基床紧密贴合，将会在液柱压力作用下，产生有害应力或造成变形集中（皱折）。其二，底板下表面无法进行防腐涂层旅工，只能从基础构造上设法改善底板的潮湿

7、易蚀环境。在这个问题上，基础材料的化学性质、地下水位与底板的距离、底板与场地地面的距离、建罐地区的气候环境、地下水的侵蚀性等，都是设计中不可忽视的因素。 （5）罐体是钢板焊接结构，母材和焊缝存在脆性断裂的危险性；随着罐体的大型化，罐壁钢材厚度加大，选用的材料屈服极限增高，这二者都使得钢材冲击韧性下降，从而加剧了上述危险性。另外，地基的不均匀沉降、地震作用、罐板腐蚀等因素，也可能诱发上述危险的发生，事故先例已有多起。 （6）大型油罐对基础地基的主要作用荷载是罐体及储液自重，该作用荷载的特点是分布面积大、荷载强度大、对地基的影响深度大、一般地基因之产生的沉降量也较大。其中，不均匀沉降反过来会对罐体

8、受力状态和使用功能产生不良影响。 2大型油罐基础应具备的技术性能 大型油罐基础的主要功能是支持罐体。在罐体设计、建造和使用均属正常的情况下，基础对罐体可靠度起决定作用，基础损坏失效所造成的严重后果是不堪设想的。鉴于此，罐体对基础最基本的要求，是在结构可靠度方面与它保持一致，或具更高水准，即基础必须具有足够的安全性、适用性和耐久性。 21稳定性 这包括两个含义，一是将地基强度考虑在内的基础地基的整体稳定性和罐壁正下方基础地基的局部稳定性；二是指基础本身在静力或地震作用下，本身不会酥碎、崩坍、滑移，而能支持罐体的能力。 22均匀性 鉴于大型油罐罐体的大柔性、易变形、易受基础地基沉降变形影响，基础必

9、须具有足够的整体稳定性、均匀性和足够的平面抗弯刚度，以确保罐体的确定形状和使用功能。这是指构成基础的材料及其强度刚度等物理力学性能，就支持罐体的部分而言，它应是均匀的，即沿水平方向分布投有大的差异。 23平面抗弯刚度 鉴于罐壁正下方基础地基的不均匀沉降，将对罐壁的圆度和垂直度、罐下部上形焊接节点的复杂高应力状态造成恶劣影响，基础构造在此部位的刚度和强度应予以加强。例如按照具体地质状况，利用钢筋混凝土环墙或碎石环梁进行加强等。这是指基础作为一个整体，抵抗和调整地基不均匀沉降的能力。 24基床竖向抗力刚度（基床系数） 鉴于罐底板焊接变形的客观存在，为防止在液柱压力下造成变形集中或底板皱折，避免底板

10、母材或焊缝产生有害应力，支持底板的基床应富于柔性，以吸收焊接变形+使底板在上部垂直液压作用下，紧密附着在基床上。为此，底板基床一般以砂石材料分层铺筑压实，其竖向抗力刚度系数（基床系数）一般控制在l00Ncm左右。若采用筏片式基础（一般筏片混凝土板是支承于桩顶上的）亦应在筏片混凝土板上面铺设柔性砂石垫层（厚3050cm）。这是一个控制基床刚柔程度的定量指标，是指基床在静力作用下，竖向产生单位沉降需施加的压力强度值。这一指标，按照消防法的规定，对碎石环梁大于或等于200Ncm，对底板基床的砂石垫层大于或等于l00Ncm。 25防护性 鉴于油罐存在泄漏的危险性，基础的结构构造对此应该有所防范。如采用

11、不怕浸泡和冲刷的构造，以在漏泄时，基础仍能保持必要的支持力，确保罐体不致倾倒；采用隔油防水层，以防止底板精泄的油或污水流入地层，浸泡地基并污染地下水资源；设置漏油信号管，使底板漏泄的油液能从基础中流出，以便检查，发现泄漏可及时采取应急措施。这包括对于腐蚀环境可能造成底板锈蚀，罐体万一破裂可能对基础地基产生冲刷、浸泡和环境污染等有所防护。 3静强度及动力相应分析 31模型的建立 虽然大型油罐结构除底架部分横梁外均为对称结构，但考虑到设备载荷的不对称及转向架牵引杆的“Z”字形布置，取整个大型油罐为离散对象，作为静强度校核和模态计算的模型。大型油罐的底架是整个大型油罐的主要受力部件，大型油罐所承受的

12、纵向力和垂向力都通过底架传到其他部分。为了较为准确地了解底架的受力状态，将整个底架全部用壳单元来模拟，同时在尽量减小工作量，但又不降低计算精度的前提下忽略了一些小筋板及小梁。司机室和侧墙中设计意义上的梁用偏1、5梁单元来离散，侧墙蒙皮及司机室蒙皮用壳单元来离散，采用了梁一梁、梁一板偏心连接，使其尽量接近实际的受力状况。根据上述原则，整个计算模型共划分10618个节点，13896个单元，其中梁单元2462个。梁单元截面特性28种，壳单元特性8种，计算模型重13400kg。 32许用应力的确定 大型油罐垂直静载工况下安全系数n：155，计算出垂直载荷工况下16Mn、09CuPCrNi的许用应力为d

13、=221MPa。压缩、起吊等工况下把略低于材料的屈服极限的值取为许用应力，a=330MPa。 33计算工况及载荷 本次计算共选择6种工况进行加载计算，计算工况见表1。                              表1静强度计算工况 注：为垂向载荷，291×13KN，按集中载荷计算的设备重量，作用

14、于对应的粱上；为垂向载荷，3608×13KN，按均布载荷计算的设备及大型油罐重，作用于底架侧梁上；为垂向载荷，t96KN，一个转向架的重量，作用于起吊点；为纵向载荷，1960kN，作用于牵引梁的腹板（压缩）；为纵向载荷，1530KN，作用于牵引粱的腹板（拉伸）；为纵向载荷，245KN，牵引力作用于牵引座及牵引梁腹板：为纵向载荷，294KN，作用于司机室前腰粱。 34计算结果 根据上述载荷工况，计算得到各载荷工况的最大应力及其分布位置，静强度计算结果最大应力位置最大位移11MlPa。 4结语 （1）用有限元方法分析大型油罐地基中的附加应力是准确可靠的。 （2）在大型油罐地基分析时，对于土层刚度变化较大的非均质地基，应根据土层情况，计算实际的附加