全容式LNG储罐的混凝土外罐在预应力荷载作用下的计算分析.pdf

2 2 CHE 虹CAL ENGI NEER G DES I GN 全容式 L N G储罐 的混凝土外罐在预应力荷载作用下 的计算分析 李金光 宋延杰郑建华 中国寰球工程公司 北京1 0 0 0 2 9 摘要 通过三维有限元分析技术对某全容式L N G 储罐的混凝土外罐在预 应力荷载作用下的 力学性能进 行计算分析，对其整体性能和受力特点进行总结，分析结果对预应力方案的优化和最终确定具有参考意义。 关键词 全容式储罐混凝土外罐预应力 在全容式 L N G储罐设施中，混凝土外罐是非 常重要的结构 ，一方 面它提供储罐正常运 营的操 作环境 ，另一方 面也为储罐 的安全性提供最后 一 道屏障，在内罐遭受破坏时保证罐区不发生大的 次生灾害。混凝土外罐结构体系中，其圆柱形罐 壁为最重要部分。在正常操作状态下，内部蒸汽 压力的作用使罐壁处于轴心受拉状态；在内罐大 泄漏情况下，低温液体的静水压力作用使罐壁处 于受拉状态，且低温液体与罐壁内侧直接接触使 罐壁内外产生巨大温差，造成罐壁内侧产生较大 拉应力作用。由此可见，混凝土罐壁始终处于非 常不利的受拉状态，且该状态也不利于混凝土材 料性能的充分发挥。为确保混凝土外罐造价经济， 受力合理，提高混凝土外罐的受力性能，满足外 罐的功能性要求，在进行外罐设计时通常都应对 罐壁施加预应力，这也是国外的 L N G储罐设计规 范推荐的技术方案 l 2 J 1 预应力设计方案的计算要点 在确定罐壁 的预 应力设计 方案时应考 虑下列 荷载作用 ： ( 1 )内部蒸汽设计压力 ( 2 9 0 M b a r )对罐壁产 生的竖向拉力和环向拉力。 ( 2 )罐顶自重、钢结构网壳自重、吊顶 自重、 吊顶保温材料 自重、罐顶上部结构 自重、罐顶管 道设备 自重和罐顶活荷载对罐壁产生 的竖 向压力 及对罐壁顶部产生的环向拉力。 ( 3 )内罐泄漏后液体对罐壁的静水压力产生 的环向拉力。 ( 4 )罐壁的液密性要求所需的 1 M P a 残余压 应力 。 预应力方案 的应 力水平 不宜小于上述 四类荷 载组合后的值。 2 计算实例 2 1 储罐基本参数 全容式 L N G储罐形状见图1 。 以某 1 6 1 0 m 。 全容式 L N G储罐为例，外罐 内直径D为 8 2 m，罐壁高度 H为3 8 5 5 m，壁厚 t 为0 8 m，罐顶厚度中心 t 为0 4 m，罐顶腋部厚度 t 为0 8 m，罐顶半径 R为8 2 m，底板中心厚度 t 为 0 9 m，底板边缘厚度 t 为 1 2 m；C 5 0混凝土密 度 p 。 为 2 5 0 0 k g m 。 ；内罐泄漏后的液位 H 为 3 3 3 m，液体密度 p L 为4 8 0 k g m 。 ，蒸汽压力 q 为 29 k Pa 。 图 1 全容式 L N G储罐基本几何尺寸 2 2 预应力设计方案 依据上述预应力设计方案的计算要点，设计 阶段初步确定的环向预应力方 案沿罐壁高度分布 图见 图 2 。 李金光：高级工程师。2 0 0 1年毕业于武汉大学工程力学专业获硕士学位。现主要从事 L N G储罐 的设计计算工作。联系电话 1 3 8 1 0 6 5 1 5 9 5，Ema i l ：l ij i n g u a n g h q e e e c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李金光等全容式 L N G储罐的混凝土外罐在预应力荷载作用下的计算分析 2 5 ( 2 )从图 l 0可见 ，底板 与罐壁相交 区域 ，底 板的内侧径向应力为 一 6 0 0 MP a ，外侧径 向应力为 + 5 0 0 M P a ，正弯矩很大 ( 1 31 0 。 N m) ；在底 板中心区域 ，底板 的内侧径 向应 力为 一 0 6 5 MP a ， 外侧径向应力为 一 0 6 0 M P a ，弯矩几乎为零。 ( 3 )从图 l l 可见，底板与罐壁相交区域，底 板的内侧环向应力为 一 2 0 0 M P a ，外侧环向应力为 + 1 0 0 M P a ，正弯矩较大 ( 0 4 1 0 。 N m) ；底板 中心区域，底板的内侧环向应力为 一 0 6 0 M P a ，外 侧环向应力为 一 0 6 0 M P a ，弯矩几乎为零。 ( 4 )从图l 2可见， 罐壁根部的内侧环向应力 为 一 3 7 0 M P a ，外侧环向应力为 + 0 9 0 M P a ，截面 产生较大的正弯矩 ( 0 3 1 0 。 N m) ；离底板顶面 约8 5 m处，内侧环向应力为 一 9 9 0 M P a ，外侧环 向应力为 一1 1 2 0 M P a ，截 面产生很小的负弯矩 (一 0 0 71 0 。 N m) ，但主要为受压 ，且压应力很 大；在 环梁 与罐壁 的交接 处 ( 离 底 板顶 面约 3 6 8 4 m处 ) ，内侧环向应力为 一4 7 0 MP a ，外侧环 向应力为 一 5 7 0 MP a ，截面产生很小的负弯矩 (一 0 0 71 0 N m) 。 ( 5 )从图1 3 可见，罐壁根部的内侧竖向应力 为 一1 2 9 0 M P a ，外侧竖 向应力为 +1 0 1 0 MP a ，截 面产生很大的正弯矩 ( 1 2 1 0 N m) ；离底板顶 面约5 0 m处，内侧竖向应力为 + 6 5 5 M P a ，外侧 竖 向应 力 为 一9 3 1 MP a ，截 面产 生 的负弯矩 较 大 (一 0 8 5 1 0 。 N m) ；在环梁与罐壁 的交接处 ，内 侧竖 向应力 为 +1 4 9 M P a ，外侧竖 向应力 为 一 3 9 3 M P a ，截面产生较大的负弯矩 ( 一 0 3 7 X 1 0 。 N m) 。 ( 6 )从图 1 4可见，罐顶处的径向受力区域性 现象明显，在中心区域，罐顶的内侧径向应力为 + 0 0 8 M P a ，外侧径向应力为 一 0 0 8 M P a ，弯矩几 乎为零 ；中心 区域 与变截 面之间 的区域 ，内侧 径 向应力为 一1 3 M P a ，外侧径 向应力 为 +1 4 M P a ， 正弯矩很小 ( 0 0 4 1 0 N m) ；腋部截面厚度变 化区域 ，内侧径向应力为 +1 9 6 M P a ，外侧径向应 力为 一 2 5 4 M P a ，弯矩较小 (一 0 2 41 0 。 N m) 。 ( 7 )从图 1 5可见，罐顶处的环向受力区域性 现象明显，在中心区域，罐顶的内侧环向应力为 + 0 1 2 M P a ，外侧环向应力为 一 0 0 2 M P a ，弯矩几 乎为零；中心区域与变截面之间的区域，内侧环 向应力为 + 0 1 6 MP a ，外侧环向应力为 +0 3 0 MP a ， 弯矩很小 ( 0 0 1 1 0 。 N 1T I ) ；腋部截面厚度变化 区域 ，内侧环向应力为 一 3 5 9 M P a ，外侧环 向应力 为 一 3 8 9 M P a ，弯矩几乎为零。 4 结语 确定全容式 L N G储罐的混凝土外罐预应力方 案是进行外罐模型分析和工程设计 的前提条件， 预应力方案的取值是否合适与外罐的设计进度和 配筋方案密切相关。算例中的计算结果表明： ( 1 )在底板与罐壁的相交区域，水平向预应 力对其影响非常大，分别在其径向和环向产生非 常大的正弯矩作用，故该部分截面在配筋计算时 应重点关注 ，很可能会 出现配筋量非常大的情况 ， 若配筋不好布置 ，则应考虑加大此处底板 的厚度。 ( 2 )在底板 的中心区域 ，预应力 的影响很小 ， 几乎可以忽略不计 。 ( 3 )在罐壁根部，水平向预应力对其影响非 常大，分别在其竖向和环向产生非常大的正弯矩 作用，故该部分截面在配筋计算时应重点关注， 很可能会 出现配筋 量非常大 的情 况 ，若配筋不好 布置 ，则应考虑加大此处罐壁的厚度。 ( 4 )在罐壁高度离底板顶面约 8 5 m处，环向 压应力最大，但负弯矩很小；其环向压应力最大 值小于混凝土的受压强度设计值，表明该方案的 预应力取值在该处环向不存在超压的现象，是合 适的。 ( 5 )在罐壁根 部 ，竖 向正弯矩最大 ，对 应罐 壁内外侧的应力非常大。其竖向压应力最大值小 于混凝土的受压强度设计值，表明该项内容是合 适的；其外侧的竖向拉应力已大大超出 昆 凝土的 抗拉强度设计值 ，表 明该处混凝土截面会开裂， 竖向受力钢筋会承担较大的拉应力，配筋计算时 应引起注意，若配筋计算不能满足要求，可通过 增加竖向预应力来改善受力状态，由图 8 可见，竖 向预应力值增加一倍，罐壁内侧的竖向拉应力能 减少 1 1 5 M P a 左右，但其综合值还是会超过混凝 土的受拉强度设计值，该处开裂不可避免。竖向 预应力取值应综合配筋方案 的计算结果来整体 考虑。 ( 6 )在罐壁高度离底板顶面约5 0 m处，竖向 负弯矩最大，罐壁内外侧的应力也很大。其竖向 压应力最大值小于混凝土的受压强度设计值，表 明该项内容是合适的；其竖向拉应力最大值大于 混凝土的受拉强度设计值，表明该区域罐壁内侧 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 CHEN CAL ENGI NEERI NG DES I GN 截面会开裂 ，竖向受力钢筋会承担较大的拉应力 ， 配筋计算时应引起注意，若配筋计算不能满足要 求，可通过增加竖向预应力来改善受力状态，由 图8 可见，竖向预应力值增加一倍，罐壁内侧的竖 向拉应力能减少 1 5 M P a 左右，但其综合值还是可 能会超过混凝土的受拉强度设计值。竖向预应力 取值应综合配筋方案的计算结果来整体考虑。 ( 7 )在环梁区域，内外侧环向均为压应力， 且都远小于混凝土的受压强度设计值，表明该方 案的预应力取值在该处环向不存在超压的现象， 是合适 的。 ( 8 )在环梁与罐壁的交接处，内侧竖向为拉 应力，外侧竖向为压应力；其竖向压应力值小于 混凝土的受压强度设计值，表明该项内容是合适的； 其竖向拉应力最大值小于混凝土的受拉强度设计 值，表明该区域罐壁内侧截面不会开裂。 ( 9 )在罐顶 的区域 ，预应 力的影响很 小 ，可 以忽略不计。 参考文献 1 B S 7 7 7 7 3：1 9 9 3 ，Ea t b o t t o m e d ，v e r t i c a l ， c i u d fi e al s t o r - a g e t a n k s f o r l o w t e mp e r a t u r e s e r v i c e P a r t 3 R e c o mme n d a t i o n s f o r t h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f p r e s t r e s s e d a n d rei n f o r c ed c o n e ret e ta n k s a n d t a n k fou u d a t i o n s ，a n d f o r t h e d e s i gn a n d i n s t a l l a t i o n of t a n k i n s u l a t i o n ， t a n k l i n e r s a n d t a n k c o a t i n g s S 2 EN 1 4 6 2 0 3： 2 0 0 6， D e s i g n a n d ma n u f a c t u re o f s i t e b u i l t ， v e rt i c al ，c y l i n d r i c al ， f l at b o t t o me d s t e e l t a n k s f o r t h e s t o r a g e of ref r i g e r a t ed ，l i q u e fi ed g a s e s wi t h o p e r a t i n g t e mp e r a t u r e s b e t we e n O C a n d一 1 6 5 C P a y 3 ： C o n c re t e C o m p o n e n t s S ( 收稿 日期 2 0 1 20 41 9) ( 上接 第 5页 ) 煤制 乙醇技术工艺路线 长且复杂 ，在生产 乙 醇的同时，产生了大量的副产物水，导致合 成气 中氢的 1 4被损耗掉 ，造成能源浪费。加之产 物组分较为复杂，粗产品需要加氢和精制处理， 催化剂成本高等。所以工艺有待进一步完善。 5 结语 新型煤气化技术 的发展与应 用，为我 国乙醇 工业的发展提供 了更 多可选的途径。大力发展煤 直接制乙醇技术，在充分利用我国资源的基础上， 减轻国际原油价格不断上涨给我国经济发展带来 的挑战与威胁。 ( 收稿 日期 2 0 1 2 0 50 4) 浙江丰利气流式涡旋微粉机 国家高新技术企业浙江丰利粉碎设备有限公司吸收消化国外微粉粉碎先进技术再创新，研制成功的新一代气流微粉设 备气流式涡轮微粉机，目前获得 国家实用新型专利 ( 专利号 ：2 0 1 1 2 0 3 8 7 5 5 7 7 ) 。该专利具有粉碎效率高，可 自由调 节产品粒度，分级效果理想，进料量均匀且可调节，散热性能好，操作简单，清理方便等优点。适合加工多种物料 ，对热 敏性和纤维性物料均能胜任，产品粒度均匀，能粉碎到微米级和亚微米级粒度，是 当前性能好、效率高的节能理想微粉生 产设备。这是该产品在获得国家重点新产品，列入国家火炬计划项目后的又一荣誉。国内已有粉碎机不同程度地存在着粉 碎粒度大，粒度欠均匀，特别是对纤维性、热敏性有机物料难以粉碎等缺陷，因此，此类设备，长期来一直从美国、日本 进 口。 为了改变国内尚无集粉碎与气流分级双重功能于一体的微粉碎机现状，浙江丰利在相关科研院所的指导下，悉心研制 成功气流式涡旋微粉机。此机性能与众不同：这是一种立轴反射型粉碎机。分级装置取代通常粉碎的筛网，粉碎效率 高； 装有气流流量调节阀和分级叶轮无级调速器，不停机即可调节产品粒度，且细粉能全部回收，不污染环境；该机 具有冷却功能， 粉碎时温升低，特别适用于加工热敏性和纤维性物料，成品粒度均匀；生产能力大，维修、操作和清理 方便； 该机采用新型进 口窄V三角带传动，具有传动功率大、运转平稳、效率高等特点。 目前，该机已广泛应用于化工、医药、涂料、染料、饲料、塑料、橡胶、烟草、植物纤维、食品、农药、冶金、非金 属矿等行业，超微粉碎莫氏硬度4 5级以下的多种物料，是一种高细度、低噪声、高效率的节能理想型粉碎机。产品性能 达到国外同类设备水平，而价格仅为进口设备的 1 0 。产品畅销全国，远销欧美、东南亚，深受用户青睐。 ( 吴红富) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m