LNG全容罐外框架及塔梯结构有限元计算与评定

2022-07-04孟树森张疆平马金华樊志刚

低温与特气 2022年3期

杨阳，孟树森，张疆平，马金华，刘俊，樊志刚

(张家港中集圣达因低温装备有限公司，江苏苏州 215632)

1 前言

LNG双金属全容罐产品次容器区别于其他单容罐产品，其次容器一般需要承受25 kPa的微正压载荷，考虑到操作等原因，拱顶外侧通常连接有大型操作平台及塔梯等钢架结构。由于次容器顶盖在压力工况下会产生变形，导致顶部框架结构与次容器连接位置出现失稳等现象，在钢结构设计时是需要额外考虑的。采用有限元软件建立全容罐产品次容器主体及外框架和塔梯结构的整体模型，对钢架结构进行有限元计算与评定，保证外部钢结构安全有效的运行。

2 产品介绍

该LNG全容罐产品次容器是由径向梁和环向梁以及顶部盖板组成，顶部框架依据径向梁分布排列，并通过垫板与拱顶盖板相连接。顶部钢结构分为操作平台和泄放平台，上面铺置格栅板，外围通过环形走道相连接。顶部钢结构侧部连接塔梯结构，供操作人员上下行走。

3 计算条件

该LNG全容罐产品及顶部外框架结构和侧面塔梯结构的主要设计条件等见表1。

表1 计算条件

4 有限元计算分析

4.1 有限元模型的建立

采用ANSYS软件做前后处理与分析计算。全容罐次容器包括拱顶及筒体等结构均采用SHELL 181单元建立，外部框架及塔梯结构采用BEAM188建立，整个模型采用360几何建模，但不包括次容器下端底板、圆筒下方若干组锚带结构件等[1]。人孔、填料孔、潜液泵和各种工艺管线等，其结构质量均折算到次容器拱顶及外钢架平台结构上，扶梯等结构也简化考虑，拱顶结构网格大小为20 mm×20 mm，钢结构网格尺寸为40 mm，具体如图1、图2所示。

图1 该型全容罐次容器结构等有限元计算几何模型三维示意简图Fig.1 3-D schematic diagram of the finite element calculation geometric model of the secondary vessel structure of this type of full capacity tank

图2 该型全容罐次容器结构等有限元计算几何模型网格图Fig.2 Mesh element of FEM calculation geometric model of this type tank product

4.2 载荷类别及工况设置

结合产品特点，有限元计算至少要考虑下述载荷[2]：1.全容罐产品及外框架塔梯结构自重G；2.全容罐产品次容器设计压力25 kPa；3.对于对风载荷敏感的结构适当提高风压值，基本风压取400 Pa；4.地震设防烈度7度0.15 g，Ⅱ类场地；5.操作平台及塔梯考虑2 kPa活动载荷；6.不考虑裹冰载荷和雪载荷(较小)[3]。

根据GB 50009—2019中规定可设置如表2所示载荷。其中前3种工况计算结构强度和位移，后3种工况用于外框架结构的稳定性计算。

表2 计算载荷

4.3 边界条件

该有限元计算模型的位移边界条件如下：1.次容器筒体下方(不考虑锚带支撑件和底板结构)为固支位移边界条件；2.塔体钢架结构件下方也为固支位移边界条件。

其它结构件之间的连接均简化为(焊接)直接连接方式等。这是因为该结构在风载荷下节点处弯矩值较大，经过验算，采用所有杆件为承受轴向力的铰接杆系的有限元法与采用杆件为刚性连接的有限元方法计算误差不超过5%，无需考虑框架之间的螺栓连接。

5 外框架结构模态分析

首先，采用有限元模态数值计算方法来计算外框架及塔梯结构主体的自振周期Ti，再参照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》计算出该型贮罐产品结构主体所受的地震载荷“响应”加速度值和水平风力载荷值。

外框架及塔梯结构的第一阶模态振型计算结果云图如图3所示。其前三阶模态振型下的固有频率见表3。

图3 外框架及塔梯结构第1阶模态振型计算结果云图

表3 框架及塔梯结构前三阶模态的固有频率计算结果

6 主体结构的强度评定

6.1 容罐次容器主体及外框架塔梯结构强度计算结果

计算结果主要输出第三强度当量应力(用符号σxd3表示，应力单位：MPa，位移单位：mm)，如表4、表5以及图4～8所示，另外位移控制在H/100范围内[4]。

根据该型燃料罐产品内外罐主体结构等计算模型在7种计算工况下的应力计算结果，采用应力分类的方法进行产品主体结构的强度极限评定。

表4 框架计算结果及评定

表5 次容器拱顶计算结果

图4 结构计算模型在工况1下的位移云图(外框架及塔梯)

图5 结构计算模型在工况1下的位移云图(外框架及罐体)

图6 结构计算模型在工况1下的应力云图(外框架及塔梯)

图7 结构计算模型在工况1下的应力云图(塔梯)

图8 结构计算模型在工况1下的应力云图(罐体)

6.2 全容器次容器外框架及塔梯结构结果评定

根据第6.1节内容，外框架及塔梯结构强度均小于材料的屈服强度，最大位移为19.1 mm小于H/100=2600/100=26 mm，满足要求[5]。顶部框架结构的最大应力集中在泄放平台附近，这主要是由次容器拱顶内压所引起的，塔梯结构的最大应力集中在塔梯底部，塔梯结构受风载荷影响较大。另外次容器主体结构的最大应力同样小于材料1.5 S，无需应力分类也能评价合格。综上，次容器主体及外框架塔梯结构的强度均满足相应标准规范[6]。