1储油罐工况分析
对于大型的原油
储油罐,水压试验比正常的储油工况更危险,因此,现进行水压试验的强度分析。
12.5×104m3外浮顶式原油储油罐最高设计液位为20.2m,在这种工况下圆筒罐壁主要承受的载荷有:呈三角形分布、由上至下逐渐增大的储液静压力和储油罐及其附件的自重两部分。在此,我们不考虑风载荷,地震载荷以及雪载荷。
2有限元模型
由于考虑到所受静水载荷的特性以及钢材节省方面的要求,实际储油罐的各层罐壁厚度是不一样的,呈从下至上依次减小分布。我们在此只对储油罐严重腐蚀部位,即罐底板和罐壁下圈板部分进行研究。
罐壁材料均选用SPV490Q(相当于国内07MnCrVR)。罐底板作简化处理,取罐底边缘板厚度(21mm),材料同样采用SPV490Q钢材。
由于储油罐的结构为轴对称结构,所以用旋转法构件模型。
分析计算软件ANSYS提供了140多种单元。对于板壳单元,典型的如SHELL57是用于热分析的板壳单元;SHELL41是三维单元,它仅仅考虑了薄膜刚度而不考虑弯曲刚度;SHELL43是三维塑性大变形单元;SHELL61是轴对称正弦单元;SHELL51也是轴对称单元,但是它具有塑性、蠕变、应力刚度特性,并能承受大变形和扭转,是经行轴对称薄壳容器分析的比较好的单元;SHELL181为4节点有限应变壳单元,既具有弯曲能力又具有膜力,可以承受平面内载荷和法向载荷,单元每个节点具有6个自由度:沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动和沿节点坐标系X、Y、Z轴的转动,应力刚化和大变形能力已经考虑在内,在大变形分析(有限转动)中可以采用不变的切向刚度矩阵。同时,SHELL181具有塑性能力,可以分析薄壳以及中等厚度的壳结构。根据ANSYS提供的单元性质以及模型的特点,选用三维平面壳单元SHELL181对模型进行网格划分,共划分了10580个单元,共包含10673个节点。
罐体各部分材料的密度及弹性模量几乎完全相同,弹性模量为2.1×105MPa,泊松比为0.3,密度为7850kg/m3。
3边界条件与载荷的施加
为了简化模型,把罐底与地基做了刚性处理,认为储油罐采用锚固方式固定,即储油罐底板的自由度为零。
对整个模型施加y负方向的重力加速度(g取9.8m/s2)时,大型储油罐的圆筒形罐壁承受着按三角形分布、由上至下逐渐增大的储液静压(见图3-4中在侧壁施加线性分布的压力)。
储液水的密度(ρ)为1000kg/m3,所以得到距离液面高度(h)的罐侧壁承受的储液压力(p)为:p=ρgh已知液面高度为20.2m,液压由液面(0)至罐底(0.198MPa)呈三角形状线性增加,所以计算式(3-1)求得罐底部承受的液压均为0.198MPa。
按照ANSYS的载荷施加规则,只有当结构具有质量的定义时惯性载荷才是有效的,而结构的质量可以通过在材料属性中定义密度来实现,因此,在材料属性中定义密度ρ=7850kg/m3从而施加储油罐自身的重量。