储液对大型石油储罐抗风稳定性能的影响分析

2020-08-01梁晟林潘建华蔡文君董有智

机械工程师 2020年7期

梁晟林，潘建华，蔡文君，董有智

（1.合肥工业大学a.机械工程学院; b.工业与装备技术研究院，合肥230009；2.中石化管道储运有限公司仪征输油站，南京210000；3. 中国石化管道储运有限公司管道科学研究院，江苏徐州221000）

0 引言

石油作为重要的战略性能源储备，一直被各国所重视[1-2]。储罐罐体作为典型的薄壁结构，在风载荷作用下极易发生屈曲等破坏，回顾在过去的几十年里，在许多国家和地区，石油储罐在台风中发生破坏的事故数不胜数[3-4]。

为了避免石油储罐由于在台风中破坏所造成的巨大经济损失和环境污染，各国学者对石油储罐及类似薄壁圆柱结构在风载荷作用下的屈曲破坏等问题进行了广泛的研究[5-6]。这些研究大都基于设计阶段的储罐参数，并且研究主要集中于探究储罐在空载时或者已经满载时缺陷和抗风加强装置等因素对储罐在风载荷作用下的屈曲行为的影响[7]。

本文针对10 万m3的在役外浮顶储罐，通过静力学位移分析和EN1993-1-6[8]推荐的数值模拟方法—线性屈曲分析、非线性屈曲分析，对各储罐在风载荷作用下的屈曲行为进行探究，旨在研究储罐液位对在役储罐的风致屈曲行为的影响。

1 有限元模型及前处理

本文的研究对象为某容量为10 万m3的外浮顶石油储罐，储罐直径D为φ80 m，罐高H为21.8 m，储罐罐壁为变壁厚罐壁焊接而成。储罐上设有包边角钢、抗风圈、加强圈等抗风装置。该储罐的各尺寸参数和抗风装置相关信息如表1和表2所示。

表1 100 000 m3 储罐基本参数

表2 储罐抗风装置安装位置及材料

1.1 有限元模型及网格划分

本文采用商用有限元软件Abaqus进行数值模拟，因为储罐为典型的薄壁壳体结构，所以选用S8R5 单元进行划分。S8R5 为八节点二阶薄壳单元，使用减缩积分，每个节点有5个自由度，在保证计算精度的同时可以提升计算效率。

网格划分方法使用Sweep方法，单元尺寸约为0.6 m，共形成网格单元约27 495 个。

结构中钢材假设为理想弹塑性材料，取弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3，密度为7.85×103kg/m3。有限元模型如图1所示。

图1 储罐网格划分结结果

1.2 有限元前处理

储罐底部边界条件为对底部施加固定边界条件，约束罐壁底部的各节点的位移和转角。

在分析中施加的荷载包括自重荷载、液压荷载、外壁面风荷载及内壁面风荷载。考虑实际储罐储存情况，液压荷载按石油密度860 kg/m3施加。储罐风荷载分布形式采用Rish，风压系数为

同时，按照EN-1993-4-2相关规定，对于敞口储罐，未储液区域的储罐要考虑内壁面风压系数，内壁面风压系数为-0.6。所以考虑内壁风压系数后储罐的风载荷分布形式如图2所示。

图2 风载荷周向分布形式

2 不同液位时风载荷下的静力学分析

通过有限元分析软件，对储罐完成了其在不同液位时受风载荷作用的有限元分析，主要采用静力学分析、特征值屈曲分析和非线性屈曲分析。

其中风载荷幅值固定为1000 Pa，分布形式如图2所示；不同液位状态通过施加不同静水压力来实现，液体密度设置和实际工程情况相同，为840 kg/m3，并且为了模拟各个液位状态下的储罐状态，静水压力加载的增量为0.1H，总计完成了含空罐状态下11个液位的相关有限元分析。

利用上述储罐模型，采用Abaqus软件的静力、通用模块计算得出了在不同液位下储罐的位移变形情况。储罐在0H、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、1.0H液位状态下的变形云图如图3所示，储罐在不同液位下迎风子午线处罐壁位移曲线如图4所示。

结合图3和图4可以看出，在较低液位的状态时（0H～0.2H），储罐罐壁上部位移较大，说明此阶段储罐主要是受到风载荷的作用；随着液位的上升，在液位达到0.4H时，储罐最大位移位置明显下移，储罐底部和上部均由位移产生，但是最大位移首次出现在了储罐底部，说明此时储罐同时受风载荷作用和储液带来的静水压力作用；而在液位接近满载状态时（0.6H～1.0H），储罐底部的最大位移逐步增大，说明在此阶段，储罐主要受储液带来的静水压力作用。

图3 不同液位下储罐的位移云图（Auto Scale）

图4 不同液位时迎风子午线处罐壁位移曲线

从静力学分析结果可以看出，对于大型在役石油储罐，在空载状态下时，储罐的静力学位移变形十分微小，仅发生在储罐上部；而随着储存液体的增加，储液带来的静水压力会逐渐取代风载荷成为储罐主要载荷，导致储罐的静力学最大位移变形位置不断下移，取代风载荷成为导致储罐变形的主要因素。

3 不同液位时风载荷下的屈曲分析

3.1 线性屈曲分析结果

忽略几何变化和材料退化的线性弹性屈曲分析将提供对屈曲行为的初步评估，由此可以得到储罐的最小屈曲载荷。本文对不同液位状态下的储罐在风荷载作用下的屈曲行为进行了线性屈曲分析。图5给出了0H液位下储罐的一阶屈曲模态云图，图6给出了不同液位下储罐最大屈曲变形处（迎风子午线处）竖向屈曲模式的对比，表3给出了不同液位下储罐的线性屈曲计算出的临界风载荷。

图5 不同液位下储罐的线性屈曲结果云图

图6 不同液位下储罐最大屈曲变形处竖向屈曲模式

表3 不同液位下储罐的临界风载荷

由图5可以看出，储罐在不同储液状态下，其一阶线性屈曲变形关于迎风子午线都是对称分布的，并且由于抗风装置的作用，在低液位时储罐的屈曲变形主要集中在储罐的中下部。而随着储液的增加，储罐液位上升，从图6可以看出,储罐的最大屈曲变形明显上移，最大屈曲变形移动至储罐上部。这说明了储液的存在加强了储罐底部的刚度，使得储罐底部不易发生屈曲，而尚没有储液加强的罐壁部位则变得易发生屈曲。并且通过表3可以看出，随着储液对储罐底部刚度的加强作用，储罐对风载荷的抵抗能力显著提升，在满载状态下的储罐的临界风载荷是空罐的6倍左右。

3.2 几何非线性屈曲分析结果

线性特征值屈曲分析只需要一次计算即可得到结构的临界载荷，其计算精度与施加载荷的大小无关。而非线性屈曲分析需经过反复试算才能得到精确的临界载荷，其计算精度与施加载荷的大小有关，只有施加载荷略大于临界载荷时才能保证结果精度。因此本文使用弧长法对储罐进行了非线性屈曲分析，以追踪不同液位下储罐在风载荷作用下屈曲的全过程。

图7给出了不同液位下储罐在风载荷作用下的载荷-位移曲线，其中符号Δ 表示向外的正向位移，tmin是储罐最薄罐壁厚度（12 mm）。以0.8H液位下的载荷-位移曲线为例，可以看出在预屈曲阶段，荷载-位移曲线是接近线性的；当最大载荷通过时，储罐切换到后屈曲阶段，荷载-位移曲线的非线性特征会逐渐出现，当载荷不断增大时，可以观察到高度非线性行为；在此之后，曲线会停止下降，再次回到增量段；表明储罐的刚度随位移的增大而增强，导致屈曲后强度的增加。这也证实了储液的存在显著加强了储罐底部的刚度，使得储罐随着液位的上升，在风载荷下的非线性屈曲过程的预屈曲阶段越来越长，进而拥有更强的抗风屈曲性能。