基于有限元的大型储罐不同形状中间隔板对比分析.pdf

收稿日期:.作者简介:张才华,男,年毕业于浙江大学化工过程机械专业,工学硕士,主要从事石油化工设备的设计工作,高级工程师,已发表论文篇.E m a i l:z h a n g c a i h u a s e i c o mc n.基于有限元的大型储罐不同形状中间隔板对比分析张才华(中国石化工程建设有限公司,北京 )摘要:对某大直径储罐的中间隔板采用AN S Y S软件进行了应力分析,对比了S形双曲面隔板和平面隔板的应力和变形情况,分析结果表明,平面隔板设置加强肋是一种更加合理的设计方案.与S形双曲面隔板结构相比,平面隔板变形时罐壁应力水平更小,同时,辅助支撑梁可以限制平面隔板的变形,进而降低隔板应力,提高承载能力,使结构更加优化.关键词:立式圆筒形储罐隔板加强肋液柱静压力有限元分析强度设计d o i:/j i s s n 立式圆筒形储罐是石油石化行业中广泛使用的储 存 设 备,其 主 体 包 括 罐 底、罐 壁、罐 顶 等,G B 立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范 对储罐的强度设计有详细规定【】.但在实际工程项目中,有时出于减小占地、缩减投资等目的,会在储罐内部增加中间隔板,将台储罐分成台使用.当隔板两侧液位相差不大时,隔板受力可以忽略不计,一般不需要特别考虑其强度和刚度等问题.但在储罐实际使用过程中,有时会出现误操作导致隔板两侧液位相差较大进而引起储罐变形并破坏等事故.所以在设计带有中间隔板的储罐时,应适当考虑极端工况.常压储罐的压力一般较低,设计温度也不高,内压和热变形对储罐强度影响较小,一般是液柱静压力对储罐强度起控制作用.中间隔板两侧的液位差可能来自于工艺操作或者充水试验等情况,设计时应考虑两侧液位差最大的情况.储罐隔板结构介绍 带隔板立式储罐的结构分析设计【】一文中介绍了平面直隔板、圆弧形隔板和S形隔板(如图所示),并指出,三者中S形隔板受力最好,圆弧形隔板次之,平面隔板受力最差,但平面隔板加工难易程度优于圆弧形和S形隔板.文中还指出,增设竖直和横向加强肋可以有效增强隔板刚度、减小最大应力和位移值.储罐几何模型某项目冷冻水储罐直径 m,高度 m,通过中间隔板与两路工艺管线组成相互独立的闭路循环,储存介质为冷冻水.该罐开车和正常操作时,隔板两侧有水同时进出储罐,此时隔板两侧液位不会太高;停车检修时,储罐可能储存系统中的冷冻水,液位虽高,但隔板两侧液位相近,这两种情况下,储罐强度问题都不大.但该项目用户要求隔板设计时须考虑充水试验时单侧液位最高、另一侧无液体的情况.图各种形式的带隔板立式储罐普通储罐通常采用环墙基础,环墙是钢筋混凝土结构,环墙内铺设垫层等材料.此种基础沉降较大,中间垫层不均匀.当中间隔板重量较大时,环墙基础的中间垫层由于自身结构的松散性,无法达到均匀承载的目的,会使隔板处基础产生较大的沉降变形.另外,当储罐单侧充水时,中间隔板下侧弯矩较大,而垫层基础承载性差,会加剧静设备石 油化工设备技术,()P e t r o c h e m i c a lE q u i p m e n tT e c h n o l o g y中间隔板和罐底板连接处的变形,严重时甚至会导致隔板与罐底板连接处撕裂,且很难修复.所以对带隔板的大型储罐,宜采用混凝土承台实基础.实基础承载能力更好、沉降小,且在进行隔板设计时,也可以不考虑罐底板沉降对隔板受力的影响.隔板结构本文选择加工制作最简单的平面隔板和受力最好的S形曲面隔板【】进行对比.考虑加工制造难度,本文并未采用文献【】中所示的半圆面,而是采用了类似于圆弧形板的曲面.在相同壁厚和加强肋条件下,利用有限元软件AN S Y S 对比平面隔板和S形双曲面隔板(两曲面半径均为 mm)储罐的受力情况【】.储罐及隔板参数见表.加强肋布置情况如下:加强肋采用H型钢,各横向 加 强 肋 距 离 罐 底 分 别 为 、和 mm;隔板中心设纵向加强肋,其余纵向加强肋两侧均布,距离中心分别为 、和 mm.两种隔板的几何及模型示意如图(a)图(d)所示.表储罐及中间隔板概况项目参数储罐直径/m 储罐高度/m 最高液位/m 中间隔板位置储罐中心线偏 m处中间隔板高度/m 材质Q B储罐基础承台实基础储罐厚度/mm 中间隔板高度/mm 罐底板/mm 加强肋/mmH 图两种隔板的几何及模型示意模型建立因罐壁、隔板等厚度远小于储罐直径和高度尺寸,因此,建立有限元模型时,钢板采用壳单元S HE L L 来模拟,加强H型钢采用B E AM 梁单元来模拟【】.罐底板分两部分施加不同约束:考虑地脚螺栓作用,罐壁外侧的罐底边缘板施加固定约束;考虑承台基础的支撑作用,储罐管壁内侧的罐底板约束竖直方向位移为;施加重力石油化工设备技术 年加速度;对充水侧中间隔板和罐内壁施加液柱静压力.隔板应力分析对比平面隔板结构的应力分析平面隔板中间隔板应力、位移云图图(a)图(b)所示为平面隔板中间隔板应力、位移云图.提取单元中间表面的应力作为薄膜应力,提取单元上、下表面的应力作为薄膜加弯曲应力(以下简称膜加弯应力).从图(a)图(b)可以看出:中间隔板与罐壁、罐底板连接处的薄膜应力水平较高;隔板底部中心与罐底板连接处的膜加弯应力水平较高,此两处的应力是由液柱静压力和变形协调导致的,所以作用范围较小;位移最大点位于隔板中心处,提取隔板中心处薄膜应力最大值为 M P a,膜加弯应力最大值为 MP a,此应力由平衡液柱静压力导致,属一次应力.平面隔板的应力分布类似于三边固支、一边自由的平板,中心处的位移大、应力大,周边位移小、应力小.图平面隔板中间隔板应力、位移云图平面隔板罐壁应力、位移云图图(a)图(b)所示平面隔板罐壁应力、位移云图.从图(a)图(b)可以看出:充水侧罐壁薄膜应力自上至下随液柱静压力增大而增大,罐壁与隔板、罐底板连接处的薄膜应力水平较高,应力最大值为 MP a;由于中间隔板变形过大导致罐壁顶部向内凹陷,此处罐壁位移最大,为 mm,虽其薄膜应力较小,但变形导致的弯曲应力使此处整体应力水平较高,膜加弯应力最大值为 MP a.S形双曲面隔板结构的应力分析曲面隔板中间隔板应力、位移云图图(a)图(b)所示为曲面隔板中间隔板应力、位移云图.从图(a)图(b)可以看出:曲面隔板下部中心与罐底板连接处薄膜应力和膜加弯应力水平都很高,薄膜应力最大值为 MP a,膜加弯应力最大值为 MP a,可见弯曲应力相对较小;最大位移点位于隔板的中上部,最大位移值为 mm,小于平面隔板.曲面隔板的应力分布,在竖直方向类似于悬臂梁,顶部位移较大,导致下部产生较大的弯曲应力.曲面隔板罐壁应力、位移云图图(a)图(b)所示曲面隔板罐壁应力、位移云图.从图(a)图(b)可以看出:分别采用曲面隔板和平面隔板时,罐壁整体应力分布类似,自上第 卷第期张才华基于有限元的大型储罐不同形状中间隔板对比分析至下逐渐增大;罐壁与隔板、罐底板连接处的薄膜应力最大,为 MP a,膜加弯应力最大值为 MP a.但由于曲面隔板抗变形能力强,罐壁位移仅为 mm.图平面隔板罐壁应力、位移云图图曲面隔板中间隔板应力、位移云图对比平面隔板和曲面隔板可以发现:无论哪种隔板结构,罐壁应力都是自上而下逐渐增大,罐壁应力最大点都在底层罐壁;但平面隔板和罐壁的组合结构抵抗变形的能力较弱,变形最大的位置在罐壁顶部,隔板与罐壁顶部的变形整体上降低了罐壁的应力水平;由于罐壁应石油化工设备技术 年力水平较低,从罐壁强度破坏角度考虑,选择平面隔板更优;另外从加工制造角度考虑,曲面 隔 板 和 加 强 肋 的 弯 曲 成 形 也 提 高 了 制 造成本.综 上,本 文 推 荐 采 用 平 面 隔 板 结 构,并通过 增加辅助支 撑来降低平 面隔板的位 移和应力.图曲面隔板罐壁应力、位移云图平面隔板辅助支撑结构的应力分析为了限制平面隔板位移,保证加强肋不变的前提下,在隔板两侧中心距罐底高度 mm处与罐底之间分别增加两根对称的斜撑,并在距罐底高度 m处对称增加横向支撑,同时,在每根斜撑上距罐底高度 m处增加纵向支撑,所有支撑均采用加强H型钢,其结构如图所示.图辅助支撑结构示意约束和加载同第节.有限元计算结果见表.表有限元计算结果结构部位薄膜应力/MP a膜加弯应力/MP a最大位移/mm平面隔板中间隔板 罐壁 罐底 S形双曲面隔板中间隔板 罐壁 罐底 平面隔板支撑中间隔板 罐壁 计算“平面隔板辅助支撑”结构所得的应力和位移云图见图(a)图(d).从图(a)图(d)可以看出:由于增加支撑,中间隔板位移减小,隔板各项应力均相应减小,但由于其对罐壁的约束加强,罐壁薄膜应力增大;由于变形减小,罐壁弯曲应力大大减小,使得罐壁膜加弯应力也减小.此外,增加辅助支撑后的隔板和罐壁各项应力也小于采用曲面隔板时的对应值,说明采用平面隔板加辅助支撑的结构,既第 卷第期张才华基于有限元的大型储罐不同形状中间隔板对比分析减小了制造难度,又可明显减小罐壁和隔板中的应力水平,强度更优.图平面隔板辅助支撑应力、位移云图应力评定根据J B/T 钢制压力容器分析设计标准 进行压力容器分析设计时,针对试验状态下的应力校核,通常一次应力强度的许用极限采用标准中第条相关规定【】,即:)一次总体薄膜应力强度S不超过材料屈服点的;)当一次总体薄膜应力强度S 倍材料屈服点时,一次薄膜加一次弯曲应力的应力强度S 倍材料屈服点;当一次总体薄膜应力强度S 倍材料屈服点且倍材料(下转第 页)石油化工设备技术 年后,按压补偿机构,检查弹簧是否回弹顺畅、不卡涩.)检查新机械密封的内、外二级密封的弹簧压缩量是否符合要求.压缩量设计值为mm,若过大则会加快动、静密封的磨损并产生摩擦热变形,过小则会因压缩比不够而发生泄漏.本次检修留待后续处理因结构原因无法进行调整.)机械密封及轴承安装完毕,按泵旋向盘车,检查是否有金属摩擦及受力不均匀、卡涩现象.如有,应查明原因,消除故障.)将 密 封 水 系 统 管 道 的 材 质 由 碳 钢(见图)更换为不锈钢,同时清洗密封水槽并将原密封水排放掉.清洗密封水槽后,将密封水更换为脱盐水,以优化机械密封运行环境.)在平衡管上安装压力表,以监测平衡管压力情况,便于调整密封水压力,使其高于泵体密封腔室压力MP a.)将密封水压力调整至设计要求的MP a,以减小介质压力密封面的比压,减少内、外二级密封的泄漏量.结语在高压氨泵机械密封的检修过程中,分析确认了造成机械密封泄漏的原因,主要是由于O形环的膨胀变形、起皮及表面粗糙,造成机械密封弹簧补偿机构卡死失效、密封端面泄漏.采用新材质O形环的国产机械密封运行情况良好,可以保证个月以上无泄漏,彻底解决了导致设备故障的根本问题.图 密封水管为碳钢管(红框内)参考文献:孙开元,郝振洁机械密封结构图例及应用M北京:化学工业出版社,中国石油化工集团公司职业技能鉴定指导中心机泵维修钳工M北京:中国石化出版社,(上接第页)屈服点时,一次薄膜加一次弯曲应力的应力强度S 倍的材料屈服点倍的S.以上规定主要是针对压力容器等回转体,并不适用于中间隔板储罐水压试验的应力评定.压力容器在水压试验时,其应力中主要成分为薄膜应力,弯曲应力占比较小,考虑水压试验为短期载荷,因此放宽薄膜应力的评定要求.但是带中间隔板储罐的水压试验不同,其弯曲应力成分占比很大,有些地方弯曲应力的绝对值远远高于薄膜应力,以上评定规则显然不适用于带中间隔板储罐水压试验的应力评定.因此,应按该标准中条中的组合条件进行评定,其中,一次应力强度的许用极限中所使用的载荷组合系数K取 .经判定,本文中“平面隔板辅助支撑”的结构满足应力评定要求.结语通过上述分析,可得出如下结论:)S形双曲面隔板比平面隔板变形小,隔板应力中薄膜应力成分占比较大,而其变形小还会导致罐壁中薄膜应力水平更高.)平面隔板变形较大,隔板和罐壁的应力水平较低,但会引起罐壁的变形较大,须考虑对隔板设置支撑,以减小平面隔板的变形,使罐壁应力和变形都处于可接受的范围内.)当中间隔板变形较大时,罐壁顶部向内凹陷,会带来稳定性问题.此时应校核罐顶板、包边角钢和罐壁顶部组合截面的稳定性.)与曲面隔板相比,采用平面隔板加辅助支撑的组合结构更有利于降低隔板和罐壁中的应力水平,并减小制造难度,是一种更优的方案,推荐在工程中使用.参考文献:石油工程建设专业标准委员会立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范:G B S北京:中国计划出版社,苏文献,邬晓敏带隔板立式储罐的结构分析设计J机械工程与自动化,():卢熹,王芳,陈云飞有隔板常压圆柱形容器的结构分析与设计J机械强度,():全国压力容器标准化技术委员会钢制压力容器分析设计标准:J B (年确认)S北京:新华出版社,第 卷第期罗伟雄等高压氨泵的机械密封泄漏处理总结S T R U C T U R A LA N A L Y S I SO FT H EP A R T I T I O NP L A T EF O RL A R G ES T O R A G ET A N K SB A S E DO NF I N I T EE L EME N TME T H O DZ h a n gC a i h u a(S I NO P E CE n g i n e e r i n gI n c o r p o r a t i o n,B e i j i n g,)A b s t r a c t:I n t h i sp a p e r,s t r e s s a n a l y s i so f t h e i n n e rp a r t i t i o np l a t eo fl a r g e d i a m e t e rs t o r a g et a n ki nap r o j e c tw a sc a r r i e do u tb yA N S Y S T h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no f t h eS s h a p e da n df l a tp a r t i t i o np l a t ew e r ec o m p a r e d T h ea n a l y s i sr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e f l a tp a r t i t i o np l a t ew i t hr e i n f o r c i n gb a r i sm o r er e a s o n a b l e C o m p a r e dw i t ht h eS s h a p e ds t r u c t u r e,t h e s t r e s s l e v e l o f t h e t a n k w a l l u n d e r t h ed e f o r m a t i o n o ft h ei n n e rf l a t p l a t ei s s m a l l e r M e a n w h i l e,t h e e x i s t e n c e o f s u p p o r t i n g c a n l i m i t t h ed e f o r m a t i o no ft h ef l a tp l a t e,t h u sr e d u c i n gt h es t r e s so ft h e p a r t i t i o n p l a t ea n di m p r o v i n gt h eb e a r i n gc a p a c i t y,w h i c hm a yo p t i m i z e t h e s t r u c t u r e K e yw o r d s:v e r t i c a l c y l i n d r i c a l s t o r a g e t a n k;p a r t i t i o np l a t e;r e i n f o r c i n gb a r;s t a t i c p r e s s u r e o f l i q u i d c o l u m n;f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s;s t r e n g t hd e s i g nA P P L I C A T I O N O F R O O F D E C K B E I N G I NF U L LC O N T A C TW I T HT H EL I Q U I DS U R F A C EA N D E L A S T I C C OMP E N S A T I O N S E A L I NP R O D U C TO I LT A N KD i n gS h a o j u n(S i n o c h e m O i l M a r k e t i n g C o,L t d,B e i j i n g,)A b s t r a c t:C o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a lp r o d u c t i o n,t h i sp a p e r a n a l y z e d t h e i m p e r f e c t i o n so f t h e i n n e r r o o fd e c ku s e d i n t h e a t m o s p h e r i c p r o d u c t o i l t a n k sw h i c hb e l o n gt o t h ec o m p a n y I tm a d ec o m p a r i s o nb e t w e e nd i f f e r e n tt y p e s o f i n n e rr o o fd e c k s f r o mt e c h n i c a l a n de c o n o m i ca s p e c t s T h e ni tp r o p o s e dt h eu p g r a d i n gs c h e m eo fr e p l a c i n g a l u m i n u mr o o f d e c k g a s c a p s u l e s e a l i n gw i t hr o o f d e c kb e i n g i n f u l l c o n t a c tw i t h t h e l i q u i d s u r f a c e e l a s t i cc o m p e n s a t i o ns e a l W i t ht h e i m p l e m e n t a t i o no ft h en e ws c h e m e,t h ep r e v i o u sd e f e c t s i nr o o fd e c ka n ds e a l i n gu s e di nt h ep r o d u c to i lt a n k sw e r ee f f e c t i v e l ye l i m i n a t e d I na d d i t i o n,t h eo i la n dg a sl e a k a g ew a sr e d u c e da n dt h ep r o b l e mo fe x c e s s i v eV O C se m i s s i o nf r o m t h et a n k s w a s s o l v e d T a n k s h u t d o w n a n dm a i n t e n a n c e f r e q u e n c yd e c r e a s e da n dt h es a f e t yo fo i lt a n k sh a sb e e ni m p r o v e d A sar e s u l t,e c o n o m i cl o s sw a sr e t r i e v e da n dt h ee x p e c t e de f f e c t sw e r ea c h i e v e d T h u s,t h es t u d yh a sv e r i f i e dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h eu p g r a d i n g s c h e m e o f r o o f d e c kb e i n g i n f u l l c o n t a c tw i t ht h el i q u i d s u r f a c ee l a s t i cc o m p e n s a t i o n s e a lf o ra t m o s p h e r i c i n t e r n a l f l o a t i n g r o o f t a n k s K e yw o r d s:a t m o s p h e r i cs t o r a g et a n k;r o o fd e c kb e i n g i nf u l l c o n t a c tw i t ht h e l i q u i ds u r f a c e;e l a s t i cf i l ms e a l;V O C s e m i s s i o n;s a f e t y;s e r v i c e l i f eE F F E C T S O F B A F F L E P L A T E S P A C I N G O NH E A TE X C H A N G EP E R F O RMA N C EO FH E A TE X C H A N G E R S S u n L i c h a o,Z h a o C h e n g z h i,S i W e n,Z h a n gX i a n g,L u a nD e y u(C o l l e g eo fE l e c t r o m e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,Q i n g d a oU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,Q i n g d a o,S h a n d o n g,)A b s t r a c t:H e a t e x c h a n g e ri s a k i n d o f h i g h l yi m p o r t a n te q u i p m e n ti nc h e m i c a lf i e l d I th a sb e e nw i d e l yu s e di nc h e m i c a l,p e t r o l e u m,f o o da n do t h e ri n d u s t r i e s I n t h i s p a p e r,f l u e n t s o f t w a r e i s u s e d t on u m e r i c a l l ys i m u l a t e t h e h e a t e x c h a n g e r p e r f o r m a n c e a td i f f e r e n tb a f f l e p l a t es p a c i n g T h er e s u l t ss h o wt h a t,w i t h i n t h e r a n g e o f t o m mb a f f l e p l a t e s p a c i n g,t h e f l o wd e a dz o n e a r e ai n c r e a s e sa n dt h ep r e s s u r ed r o pd e c r e a s e sw i t h t h e i n c r e a s e o f b a f f l e p l a t e s p a c i n g;a n dt h ec o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tp r e s e n t sad o w n w a r dt r e n d,w h i l et h ec o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tp e ru n i tp r e s s u r ed r o p,t h ec o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n t p e ru n i t p u m pp o w e r,a n d J Ff a c t o ri n c r e a s eg r a d u a l l y T h ec o n c l u s i o n so f t h ea b o v es t u d yc a np r o v i d ea b a s i sf o rt h et r e n d si nt h ea c t u a le n g i n e e r i n go f h e a t e x c h a n g e r s K e yw o r d s:h e a te x c h a n g e r;b a f f l e p l a t e;s p a c i n g;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;p e r f o r m a n c e a n a l y s i sS UMMA R Y O N L E A K A G E T R E A TME N T O FME C H A N I C A L S E A L O F H I G H P R E S S U R EAMMO N I AP UMP L u oW e i x i o n g,Y uJ i e p e n g,F e n gB a o,L i nZ h i y o n g(C N O O C F u d a o C o,L t d,D o n g f a n g,H a i n a n,;C N O O C H u a h eC o a lC h e m i c a lL t d,H e g a n g,H e i l o n g j i a n g,)A b s t r a c t:H i g h p r e s s u r e a m m o n i a p u m p i s a ni m p o r t a n t i m p o r t e d r o t a t i n g e q u i p m e n t f o r u r e ap r o d u c t i o nu n i to fo n ec o m p a n y I no r d e rt os a v ep r o d u c t i o n c o s t,i tw a sd e c i d e dt oh a v e t h em e c h a n i c a ls e a l o f t h e p u m pd o m e s t i c a l l ym a n u f a c t u r e d D u r i n g t h ep r o c e s so fd o m e s t i c a t i o no ft h es p a r ep a r t s,l e a k a g eo c c u r r e d s o o n a f t e r t h e o p e r a t i o no f t h em e c h a n i c a l s e a lo f t h ep u m p T h el e a k a g eo f t h em e c h a n i c a ls e a lw i l ln o t o n l yb r i n gh i d d e nd a n g e r t o t h e s t a b l eo p e r a t i o no ft h ep r o d u c t i o nu n i t,b u ta l s op o l l u t et h ee n v i r o n m e n t I ns e r i o u sc a s e s,i tc a ne v e nc a u s ea c c i d e n t s w i t hi n j u r i e sa n dd e a t h s T h e r e f o r e,d u r i n ga no v e r h a u l,ad e t a i l e da n a l y s i so nt h ed i s a s s e m b l e d m e c h a n i c a ls e a la n d t h e s i t ec o n d i t i o n sw a sc a r r i e do u t t of i n do u t t h eA B S T R A C T SP E T R O CHEM I C A LE QU I PME NTT E CHNO L OG YS t a r t e dP u b l i c a t i o n i n B i m o n t h l y S e p V o l N o