20×104m3浮顶油罐用双盘式浮顶有限元分析

吴龙平 傅伟庆 刘 毅 明斐卿

（中国石油天然气管道工程有限公司）（河北石油职业技术学院)

20×104m3浮顶油罐用双盘式浮顶有限元分析

吴龙平*傅伟庆 刘 毅 明斐卿

（中国石油天然气管道工程有限公司）（河北石油职业技术学院)

介绍了浮顶油罐用双盘式浮顶结构的有限元模型，主要包括浮顶结构单元选取和边界条件的处理等内容。对处于最危险工况的浮顶进行了有限元计算分析。结果表明，该20× 104m3浮顶油罐用双盘式浮顶结构满足规范的相关要求。

浮顶油罐 双盘式浮顶 有限元 应力分析 压力容器

0 前言

近几十年来，储罐大型化迅速发展。1962年美国首先建成10×104m3大型浮顶油罐 (D=87 m，H=21 m)；1967年委内瑞拉建成了15×104m3浮顶油罐 (D=115 m，H=14.6 m)；1976年，日本建成了16×104m3浮顶油罐 (D=109 m，H=17.8 m)；接着沙特阿拉伯建成了20×104m3巨型浮顶油罐 (D= 110 m，H=22.5 m)[1]。1985年中国从日本引进第一台10×104m3浮顶油罐，到目前已建成10×104m3(D=80 m，H=21.8 m)浮顶油罐近千台，15×104m3浮顶油罐近30台。储罐大型化后，储罐双盘式浮顶的强度及稳定性就显得格外重要。由于大型储罐双盘式浮顶的设计在 API 650[2]、JIS B 8501[3]、BS EN 14015[4]等相关储罐规范中没有提供详细的设计方法，而传统的浮顶分析方法仅采用工程计算方法对浮顶的主要部件进行强度和稳定性分析，缺乏对浮顶的整体分析。近十年来，随着有限元技术的不断发展，特别是有限元ANSYS软件的成熟应用，对双盘式浮顶进行整体分析成为了可能。为了保证双盘式浮顶运行的安全可靠性，很有必要对双盘式浮顶进行有限元计算分析，以确定该浮顶是否满足相关规范的要求。

1 双盘式浮顶结构的设计要求

双盘式浮顶结构的设计应满足下列要求[5]：

（1）当排水管失效时，浮顶应能承受24 h内降雨量为250 mm的雨水荷载而不沉没；对设置紧急排水设施的浮顶，可不受此条件限制，但紧急排水设施的排水能力应使浮顶上存留的积水荷载小于浮顶设计所允许的积水荷载。

（2）在浮顶上没有雨荷载和活荷载的情况下，浮顶任意两个隔舱同时泄漏时，浮顶应能漂浮在液面上不沉没。

（3）在上述两种情况下，浮顶不发生强度和稳定性破坏。

2 双盘式浮顶结构的设计参数及有限元模型

2.1 设计参数

双盘式浮顶结构如图1所示。

图1 双盘式浮顶结构

双盘式浮顶直径D=109 500 mm，浮顶外侧板H1=1020 mm，浮顶中心H2=700 mm，浮顶最低点H3=560 mm；浮顶沿半径方向分为12份，从内到外分别为 1750 mm、5000 mm、5000 mm、5000 mm、5000 mm、5000 mm、5000 mm、5000 mm、5000 mm、5000 mm、4000 mm和4000 mm；浮顶顶板、浮顶底板、浮顶环板、浮顶隔板和浮顶加强板选用Q235B，厚度取5 mm；浮顶外侧板选用Q235B，厚度取6 mm；浮顶径向支撑选用Q235A，选取角钢规格为100 mm×10 mm；浮顶环向支撑选用Q235A，选取角钢规格为50 mm×6 mm；浮顶立筋选用Q235A，选取角钢规格为50 mm×6 mm。

2.2 单元选取

整个双盘式浮顶结构采用壳单元和梁单元进行离散。具体方案是：顶板、底板、环板和隔板采用壳单元；径向支撑、环向支撑、立筋和加强板采用梁单元。在加筋板模型中，梁单元与壳单元采用共节点方式。壳单元选取含有非协调自由度的低阶单元shell 181，梁单元选取含有非协调自由度的低阶单元beam 188。

2.3 边界条件的处理

浮顶底板上浮力被处理为弹性地基。根据弹性地基模型，在底板上每个节点都用一个垂直方向的弹簧支撑（采用Combin 14弹簧单元），其刚度为

式中 g——重力加速度，取为9.81 m/s2；

ρ油——储存油品的密度；

A——面积，由节点周围的单元面积加权提供。

当隔舱泄漏时，浮顶底板上下表面上的压力相互抵消，此时浮顶底板原来的浮力消失。因此，在计算浮顶底板下面的弹簧刚度系数时，不考虑浮顶底板上的面积对弹簧刚度的影响。

浮顶隔舱承受雨载时，浮顶顶板必然发生变形，在求解前无法确定液面的具体位置，只能通过不断迭代求解得到。具体方法：首先假设浮顶隔舱不变形，根据降雨量确定出液面位置，在浮顶顶板上加雨载进行求解；在得到浮顶顶板变形后的新位置后，再进一步调整液面位置进行加载，如此不断求解，直到液面位置收敛为止。浮顶及隔舱有限元模型见图2。

图2 浮顶及隔舱有限元模型

3 双盘式浮顶结构的有限元计算分析

基于有限元分析软件ANSYS，本文对两种工况进行了应力计算分析：250 mm雨水荷载和任意两隔舱。图3～图16为浮顶在250 mm雨水荷载作用下，浮顶外侧板、浮顶顶板、浮顶底板、浮顶隔板、浮顶环板、隔舱径向支撑、隔舱环向支撑、浮顶立筋和密封托板的应力、位移及转角等情况。图17～图19为浮顶最外圈相邻两个隔舱泄漏状态下，浮顶外侧板到液面的距离、浮顶外侧板转角及浮顶立筋的等效应力。

图3 浮顶外侧板上缘各节点到液面的距离

图4 浮顶外侧板下缘各节点到液面的距离

图5 浮顶外侧板下节点的倾斜角度

3.1 250 mm雨水荷载分析

从图3、图4可知，该浮顶满足抗沉性要求；从图6、图7可知，由于雨水荷载流向了浮顶中心处，因此浮顶中心沉降量最大；从图5可知，浮顶外侧板最大偏移距离为（1020/2）×sin 1.090 5°=9.71 mm，不会造成卡盘。

图6 浮顶顶板径向各节点到液面的距离

图7 浮顶底板径向各节点到液面的距离

图8 浮顶顶板的等效应力云图

图9 浮顶底板的等效应力云图

图10 隔舱隔板的等效应力云图

图11 浮顶隔舱环板的等效应力云图

图12 浮顶隔舱径向支撑的等效应力云图

图13 浮顶隔舱环向支撑上的等效应力云图

图14 浮顶隔舱立筋上的等效应力云图

图15 浮顶加强板的等效应力云图

图16 浮顶密封托板上的等效应力云图

图8～图16为浮顶各构件的等效应力云图。顶板、底板、环板、径向支撑、环向支撑、托板和加强板都满足强度要求；而隔板、立筋却超出了强度要求。梁和板壳单元连接处是应力集中区域，有限元计算中该处的应力值较真实值往往偏大很多。当然应力集中最严重的地方会局部进入塑性状态，但这不影响整体结构的强度。因此，忽略有限元软件本身计算引起的局部应力值偏大外，浮顶各构件满足强度要求。

综上所述，在250 mm雨水荷载作用下，浮顶是满足强度要求的。

3.2 隔舱泄漏分析

从图17～图19可知，在泄漏工况下，外侧板上缘最低位置为874 mm，满足抗沉性要求；浮顶结构的最大等效应力点都位于浮顶立筋上，且远小于材料的许用应力，满足强度要求。

图17 浮顶外侧板上缘各节点到液面的距离

图18 浮顶外侧板的倾斜角度

图19 浮顶立筋的等效应力值

4 结语

（1）通过有限元计算分析，20×104m3浮顶油罐用双盘式浮顶结构满足规范的强度和抗沉性要求。（2）在250 mm雨水荷载和任意两隔舱泄漏工况条件下，20×104m3浮顶油罐用双盘式浮顶结构是安全的。

[1]徐英，杨一凡，朱萍.球罐和大型储罐 [M].北京：化学工业出版社，2005.

[2]API 650-2011.Welded tanks for oil storage[S].

[3]JIS B 8501-1995.钢制焊接油罐结构 [S].

[4]BS EN 14015-2004.Specification for the design and manufacture of site built,vertical,cylindrical,flatbottomed,aboveground,welded,steel tanks for the storage of liquids at ambient temperature and above[S].

[5]GB 50341—2003.立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范[S].

我国掌握碳纤维干喷湿纺工艺

中复神鹰碳纤维公司于2013年10月19日宣布，该公司承担的干喷湿纺高性能碳纤维工程化关键技术及设备研发项目通过国家级鉴定，项目总体技术达到国际同类产品先进水平。该公司成为我国唯一、世界第三个掌握该工艺的企业。

鉴定专家组认为，在技术方面，该项目在国内率先突破干喷湿纺碳纤维制造的技术难关，开发出了适用于干喷湿纺的均质化聚合系统、低扰度空气层纤维成型系统以及高速高倍蒸汽牵伸系统；在装备方面，自主开发设计了快速换热的全混式60 m3聚合釜、干喷湿纺纤维成型装备、蒸汽牵伸装备、全套碳化关键装备以及高效溶剂回收和废气处理系统。在上述关键技术和装备基础上，该项目制备出各项指标均达到GQ 4522标准的SYT45碳纤维产品，并在多家复合材料制造企业应用取得良好效果。

据介绍，高性能碳纤维是发展新技术的重要新材料，广泛应用于工业、土木工程、医疗器械、军事和航空航天等领域。干喷湿纺技术是一种高效的纺丝技术，具有生产效率高、碳纤维品质好、生产成本低等优点。干喷湿纺工艺被认为是今后碳纤维生产的主流工艺，但也是碳纤维行业公认的难以突破的纺丝技术，目前在国际上仅有美国和日本的个别公司掌握这一工艺。

(钱伯章)

Finite Element Analysis for Double-deck Floating Roof of 20×104m3Floating Roof Oil Tank

Wu Longping Fu Weiqing Liu YiMing Feiqing

Introduced the finite element model of double-deck floating roof of floating roof oil tank,including the structural unit selection of floating roof and the treatment of boundary conditions.For the floating roof in the most dangerous working conditions,finite element calculation and analysis was implemented.The results showed that the double-deck floating roof structure of the 20×104m3floating roof oil tank could meet the correlation requirement of tank codes.

Floating roof oil tank;Double-deck floating roof;Finite element;Stress analysis;Pressure vessel

TQ 050.2

2013-05-12）

*吴龙平，男，1979年生，硕士，高级工程师。廊坊市，065000。