大型储罐不均匀沉降及地震力作用下应力仿真分析.pdf

第 39 卷 第 9 期 试验研究与应用7作者简介：张继旺（1991 )，男，博士，高级工程师，从事设备安全评价、状态监测与诊断预警方向研究工作。基金项目：中国特检院青年基金(2021 青年 16)；国家 NQI项目（2018YFF0214700）。通讯作者：丁克勤，E-mail:。（收稿日期：2023-01-16）大型储罐不均匀沉降及地震力作用下应力仿真分析张继旺1 王建琳2 丁克勤1 陈 光1(1.中国特种设备检测研究院 北京 100029）(2.中国石油天然气股份有限公司西藏销售分公司 拉萨 850000）摘 要：为了探究大型储罐在不均匀沉降、地震力以及二者耦合作用下的应力分布情况，利用 Ansys/Workbench 有限元软件对某 5104 m3大型浮顶储罐进行了建模仿真。结果显示相较于理想工况下储罐的应力分布，不均匀沉降或地震力工况下储罐结构应力变化均较小，储罐相对安全；但双因素耦合作用下储罐会产生严重的应力集中，Mises 应力最大值达 835.03 MPa，已远大于材料强度极限值 740 MPa，储罐已处于不安全状态，考虑地震力的不可抗性，大型储罐运行中应严格控制不均匀沉降变化范围。关键词：大型储罐 不均匀沉降 地震力 应力分析Stress Simulation Analysis of Large Storage Tank under Uneven Settlement and Seismic ForceZhang Jiwang1 Wang Jianlin2 Ding Keqin1 Chen Guang1(1.China Special Equipment Inspection&Research Institute Beijing 100029)(2.Petrochina Xizang Marketing Company Lhasa 850000)Abstract In order to investigate the stress distribution of large storage tanks under uneven settlement,seismic forces,and their coupling effects,the Ansys/Workbench finite element software was used to model and simulate a 5104 m3 large floating roof storage tank.The simulation results show that compared to the stress distribution of the tank under ideal working conditions,the stress changes of the tank structure under uneven settlement or seismic force conditions are relatively small,and the tank is relatively safe;However,under the coupling effect of the above two factors,the storage tank will generate serious stress concentration,with the maximum value of Mises stress reaching 835.03 MPa,which is far greater than the material strength limit of 740 MPa.The storage tank is in an unsafe state,and considering the irresistibility of seismic forces,the range of uneven settlement changes should be strictly controlled during the operation of large storage tanks.Keywords Large storage tank Uneven settlement Seismic force Stress analysis中图分类号：X933.4 文献标志码：B文章编号：1673-257X(2023)09-0007-06 DOI:10.3969/j.issn.1673-257X.2023.09.002大型和超大型石油储罐是国家战略能源的“心脏”，一旦发生失效泄漏将导致灾难性后果1-3。在储罐的失效案例中，不均匀沉降和地震是 2 个典型的致因因 素4-6，对这 2 种因素下的储罐罐体主要结构进行应力分析具有重要的实际应用价值和理论研究意义7-9，也是设计建造的理论基础。文献10-11指出日本超大型浮顶油罐中采用的主体材料为日本工业标准 JSIG3115压力容器用钢板12中的 SPV49OQ，这种材料为调质状态供货，屈服强度要求不低于 490 MPa，拉伸强度为 610 740 MPa。文献13指出对油罐用钢限制屈试验研究与应用8强比来自API 650 Welded Steel Tanks for Oil Storage14中选用国家标准的材料时，要求钢板的屈强比不大于0.75。设计者在初期使用12MnNIVR时，限制底层圈板，第 2 层圈板和罐底边缘板的实物屈强比不大于 0.9，主要考虑这 3 个部位受力较其他部位要大很多。当局部达到屈服时，担心其会很快断裂，发生强度破坏，出现灾难性事故。刘小文等15通过现场实测发现，大角焊缝附近的弯曲应力高达 729.8 MPa，此值是许用应力 261 MPa 的 2.8 倍。受计算机硬件发展的限制，过去多采用组合圆柱壳法对罐壁应力进行理论计算，对不均匀沉降和地震力作用下的罐体应力精确计算较为困难。随着科技进步，现在采用实体单元及精细单元划分对大型和超大型浮顶油罐及回填土夯实基础整体进行有限元分析得以实现，克服了板壳单元有限元应力分析的剪切闭锁等缺点，可以提高应力分析的精度和可靠性。基于此，本文以某 5104 m3大型浮顶储罐为例，开展了大型储罐在不均匀沉降、地震力及两因素耦合作用下的罐体力学响应分析，为储罐运维和设计提供指导。1 大型储罐模型建立及有限元网格划分以某 5104 m3大型浮顶储罐的实际构造为例，首先利用 Solidwork 软件建立包括罐体、地基基础、回填土夯实基础及外围岩土实体模型，其中罐体包括罐壁、加强圈、罐底和大角缝，地基基础包括混凝土环梁、水泥找平层、100 mm 混凝土垫层、100 mm 沥青砂、900 mm 砂垫层和 1 000 mm 级配碎石夹粗砂，然后将所建模型导入 Ansys/Workbench 有限元结构分析软件中得到有限元模型，见图 1。图 1 大型浮顶储罐实体模型利用 Ansys/Workbench 有限元结构分析软件采用实体单元及精细单元对大型储罐实体模型进行精细三维有限元网格划分，效果见图 2，共划分节点 1 573 805 个、三维有限元单元 428 864 个。图 2 大型储罐实体模型有限元网格划分2 大型储罐结构应力分析2.1 理想状态下大型储罐静载应力分析以该储罐实际设计参数为例，分析储罐在最大液面下的应力分布特性，假设注入液体为水（油比水略轻，更为安全），最大注入液面高度为 16.3 m，最大充装速度为 3 500 m3/h，单盘浮顶质量为 1.44105 kg，产生的压强为 487.83 N/m2。考虑最大注水高度产生的净水压力(最大值为 0.162 2 MPa)和单盘浮顶引起的面压力(487.83 Pa)联合自重作用，对大型储罐进行静态分析，边界条件为回填土夯实基础底部固支，得到罐体结构在自重、净水压力和单盘浮顶的影响产生的面压力联合作用下的整体 Mises 应力分布见图 3。图 3 罐体 Mises 应力分布示意图储罐罐壁、加强圈、罐底和大角缝的 Mises 应力分布见图 4。(a)罐壁 Mises 应力分布图 4 储罐主要结构 Mises 应力分布情况第 39 卷 第 9 期 试验研究与应用9图 4 储罐主要结构 Mises 应力分布情况（续）(b)加强圈 Mises 应力分布(c)罐底 Mises 应力分布(d)大角缝 Mises 应力分布由图 3 和图 4 可以看出，罐体罐壁、加强圈、罐底、大角缝等结构各部分的 Mises 应力最大值分别为331.02 MPa、688.46 MPa、46.86 MPa 和 46.05 MPa，整体 Mises 应力最大值位于第 2 个加强圈(从下向上)的某支架上，细节见图 5。图 5 罐体 Mises 应力最大值局部细节图2.2 不均匀沉降作用下储罐应力分析在实际的回填土夯实基础中，由于水对土体的影响等各种原因会引起局部弱化，进而引起罐体随着基础产生不均匀沉降12。为了确保模拟结果的合理性和代表性，在计算过程中考虑软化比较严重的极端状态，将回填土夯实基础的 1/4 扇形（图 6 中绿色部分）的弹性模量降低 50%（由于大型油罐圈梁和伐基设计阈值都比较高，这种方案计算结构能够涵盖比较小的不均匀沉降影响）。回填土夯实基础采用 Ansys/Workbench有限元结构分析软件给定的sandstone材料，其弹性模量为 3.41010。考虑由于各种外界因素引起部分回填土夯实基础出现软化现象而可能引起局部不均匀沉降，假设软化导致 1/4 扇形绿色部分的弹性模量极大降低，设为 1.71010。边界条件为回填土夯实基础底部固支，对大型储罐进行静态分析。图 6 1/4 扇形回填土夯实基础弱化然后计算得到罐体结构在自重、净水压力、单盘浮顶的影响产生的面压力和不均匀沉降联合作用下的Mises 应力分布见图 7。图 7 罐体结构 Mises 应力分布示意图储罐罐壁、加强圈、罐底和大角缝的 Mises 应力分布见图 8。试验研究与应用10(a)罐壁 Mises 应力分布图 8 不均匀沉降作用下储罐主要结构 Mises 应力分布(b)加强圈 Mises 应力分布(c)罐底 Mises 应力分布(d)大角缝 Mises 应力分布由图7和图8可以看出，不均匀沉降条件下罐体罐壁、加强圈、罐底、大角缝等结构各部分的 Mises 应力最大值分别为 331.02 MPa、688.46 MPa、46.86 MPa 和 46.05 MPa，整体 Mises 应力最大值同样位于第 2 个加强圈(从下向上)的某支架上，见图 9。图 9 Mises 应力最大值的位置示意图 对比正常工况和不均匀沉降工况的应力可以看出，回填土夯实基础小局部产生刚度软化现象，对罐体应力变化影响较小，主要是由于 3 m 高、0.5 m 宽的混凝土环梁相对刚度非常大，还有厚度加起来 2 m 的基础层包括沥青砂层（100 mm)、砂垫层（900 mm)和级配碎石夹粗砂层，使得地基与基础层相对刚度非常大且相对变形比较小，所以小面积软化不会引起罐体结构应力发生比较大的变化，除非回填土夯实基础或更深层的原始岩石岩土层发生大面积软化或空洞而造成罐体失稳。2.3 地震力作用下储罐应力分析考虑由于地震动水压力作用引起的应力变化，地震作用采用等效静载荷。边界条件为回填土夯实基础底部固支，对大型储罐进行静态分析。由于一般大型和超大型储罐都不会建造在地震多发区和具有大型地震可能发生的区域16，采用吉林省地震局针对水坝建议在抗震设计时将防烈度设为 VII 度，水平加速度峰值取 0.16g。考虑到储罐水平尺度与库水水平尺度的区别，将地震动水压力的最大值等效成等效地震静载荷作用于 1/8 罐壁上，将加速度方向载荷放大到法向载荷，见图 10。图 10 地震动水压力作用等效载荷分布第 39 卷 第 9 期 试验研究与应用11罐壁、罐底、加强圈和大角缝 Mises 应力分布见图 11。(a)罐壁 Mises 应力分布(b)加强圈 Mises 应力分布图 11 地震力作用下储罐主要结构 Mises 应力分布(c)罐底 Mises 应力分布(d)大角缝 Mises 应力分布由图 10 和图 11 可以看出，地震作用下罐体罐壁、加强圈、罐底、大角缝等结构各部分的 Mises 应力最大值分别为 644.08 MPa、674.93 MPa、92.40 MPa 和72.39 MPa。考虑到地震发生的时间长度比较短，起主导作用的是强度极限，所以在地震力加速度峰值取 0.16g 的工况下储罐结构相对于实际运行结果是相对 安全的。2.4 不均匀沉降与地震力耦合作用下储罐应力分析考虑最不利情况，地震等效压力作用在具有不均匀沉降区域的罐壁正上方 1/8 区域，分析计算得到不均匀沉降与地震力耦合作用下储罐结构的 Mises 应力分布见图 12。图 12 不均匀沉降与地震力耦合作用下罐体 Mises 应力分布不均匀沉降工况与地震力耦合作用下储罐罐壁、加强圈、罐底和大角缝的 Mises 应力分布见图 13。(a)罐壁 Mises 应力分布(b)加强圈 Mises 应力分布图 13 不均匀沉降与地震力耦合作用下储罐各部件 Mises 应力分布试验研究与应用12图 13 不均匀沉降与地震力耦合作用下储罐各部件 Mises 应力分布（续）(c)罐底 Mises 应力分布(d)大角缝 Mises 应力分布由图 12 和图 13 可以看出，地震作用下罐体罐壁、加强圈、罐底、大角缝等结构各部分的 Mises 应力最大值分别为 643.48 MPa、835.03 MPa、98.61 MPa 和81.87 MPa。对比罐体结构各部分在正常工况、非均匀沉降工况、地震力工况及不均匀沉降和地震力耦合工况下Mises 应力最大值，结果见图 14。?MPa?20004006008001 000331.02331.02644.08643.48688.46688.46674.9346.8646.8692.498.6146.0546.0572.3981.87835.03图 14 不同工况下储罐各部件 Mises 最大应力对比由图 14 对不同工况下储罐各结构的 Mises 应力最大值对比可以看出，局部不均匀沉降对罐体应力变化影响较小；地震力对罐壁、罐底和大角缝均有一定影响，但地震发生的时间长度比较短，起主导作用的是强度极限，所以在工程实际中该工况下也相对安全；但不均匀沉降与地震力耦合作用对大型储罐结构的应力影响较大，特别是对加强圈的 Mises 应力最大值达到了 835.03 MPa，已远大于强度极限值(610 740 MPa)，所以不均匀沉降和地震力耦合作用下的大型储罐结构已经处于不安全状态，在运行过程中要密切 关注。3 结论1）静态分析结果显示罐壁局部区域 Mises 应力最大值为 330.80 MPa，大于许用应力 261 MPa，大部分区域均小于许用应力，加强圈下支架最大的 Mises 应力达到 688.46 MPa，会对结构造成不利影响，应在注水高度达到最大值时予以关注。2）局部不均匀沉降对罐体应力变化影响较小，所以小面积基础软化不会引起罐体结构应力发生大的变化，但大面积软化或空洞可能会造成罐体失稳。3）地震力作用对罐壁和加强圈的影响相对较大，但地震发生的时间长度比较短，且起主导作用的是强度极限，所以仅地震力作用对于工程实际结果是相对安全的。4）不均匀沉降与地震力耦合作用对大型储罐结构的应力具有较大的影响，特别是加强圈的 Mises应力最大值达到 835.03 MPa，已远大于强度极限值(610 740 MPa)，所以不均匀沉降和地震力耦合作用下大型储罐结构已经不安全，需要加强关注。参考文献1 张贵霖,谢飞,李卓远,等.基于有限元的储罐底板双腐蚀缺陷应力分析 J.兵器材料科学与工程,2022,45(04):58-64.2 杨志华,宋佩月,付建民,等.大型原油储罐泄漏隔堤池火灾后果研究 J.中国安全生产科学技术,2021,17(12):49-54.3 石磊.基础谐波沉降下储罐的力学特性研究 J.安全与环境学报,2022,22(05):2 541-2 548.4 黄思,易天坤,欧晨希,等.支柱沉降作用下球形储罐的屈曲研究 J.重庆理工大学学报(自然科学),2022,36(02):238-244.（下转第 16 页）法规标准16GB/T 341982017 要求。8）从 GB/T 87062017钢丝绳 术语、标记和分类的 3.3.2 条的“表 2 普通类型的股结构代号”中的“结构类型：组合平行捻，代号：WS，股结构示例：41WS 即（1-6/8-8+8-16）”可以分析，股芯 1，第 1 层 6 丝，第 2 层 8 丝，第 1 层与第 2 层用斜线分开说明这 2 层之间是点接触，第 3 层是 8+8（1 粗 1 细16 丝）与第 2 层是瓦林吞式结构用-分开是线接触，第 4 层与第 3 层用-分开是线接触，这时只有西鲁式结构。37M（这里的 M 就是指点接触，GB/T 87062017 中的表 2 规定）即(1-6/12/18)首先说明这 3 层钢丝用/分开，3 层之间都是点接触，各层钢丝的捻角相等，但是捻距是不一样的，基本可以说这 3 层钢丝的直径是一样的，数量相差 6 丝8。图 1 所示的 2 种结构都属于 WS，只是股中心丝不同。图 1 组合平行捻(a)由 1 根中心钢丝构成的股(b)由 1 6 组合芯构成的股3 总结起重作业中，钢丝绳突然断裂危害巨大，轻则物毁，重者伤人。积极探索钢丝绳使用寿命延长的方法，促进安全生产水平的提高，有效保护钢丝绳，是平时工作中的重点。随着工业化生产程度的加大，起重机工作级别的提升，对起重机用钢丝绳及维护的要求越来越高。这一标准的发布规范了钢丝绳生产单位和使用单位的标准，有力地推动了起重机的安全使用水平，对起重机用钢丝绳乃至起重机行业的发展意义深远。当前，如何切实落实好这一标准各项要求，将是下一步需加快研究完善的重要课题。参考文献1 GB/T 341982017 起重机用钢丝绳 S.2 李继红.起重机起升机构钢丝绳磨损状况与检验J.特种设备安全技术,2010(03):34-36.3 钱华明.起重机钢丝绳的维护保养的探讨 J.科技风,2012(09):72.4 GB/T 201182017 钢丝绳通用技术条件 S.5 GB/T 89182006 重要用途钢丝绳 S.6 GB/T 38112008 起重机设计规范 S.7 GB/T 290862012 钢丝绳 安全 使用与维护 S.8 GB/T 87062017 钢丝绳 术语、标记和分类 S.（上接第 12 页）5 陈严飞,马尚,董绍华，等.地 基 不 均匀沉降下大型储罐 风致 屈曲研究 J.油气田地面工程,2022,41(10):16-23.6 苏文强,陈志平,马赫,等.地基不均匀沉降和风载荷联合作用下的大型储罐屈曲分析 J.压力容器,2019,36(03):35-43.7 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