大型石油储罐的风载荷响应分析.pdf

大型石油储罐的风载荷响应分析 宫建国， 刘迎圆。 蒋力， 曾胜 。 金涛 浙江大学 化工机械研究所 ， 浙江 杭州3 1 0 0 2 7 摘要 主要研究 了大型石油储罐在风载荷作用下的响应。首先 ， 介绍 了风载荷分析时用 到的风压 模型 ， 并建立 了储罐的有限元模型 ； 然后， 对储罐进行 了模 态分析 ； 最后 ， 分别计算 了储罐在静 态风 压和动态风压模 型下的响应。结果表明 储罐的模态呈 多波分布， 该振动为储罐周 向振动和竖 向振 动的叠加。在静态风压模型下， 储罐的最大位移发生在靠近储罐罐顶的罐壁某处 ； 最大应力发生在 罐壁与地板 的连接处 。在动态风压模 型下 ， 动态响应的峰值 如位移和应力峰值 延迟于风载荷峰 值 的出现。 关键词 储罐 ； 风载荷 ； 模 态分析 ； 动态响应 中图分类号 T H 4 9 ； T E 9 7 2 ； T B 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 1 3 0 1 4 8 3 7 2 0 1 3 1 0 5 0 0 3 4 0 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 8 3 7 ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 0 7 Re s p o n s e o f La r g e S c a l e Oi l S t o r a g e T a n k s S u b j e e t e d t o Wi n d L o a d GONG J i a ng u o， LI U Yi n gy u a n， J I ANG L i ， ZENG S h e n g， J I N Ta o I n s t i t u t e o f P r o c e s s E q u i p m e n t ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ， H a n g z h o u 3 1 0 0 2 7， C h i n a A b s t r a c t T h i s w o r k w a s t o s t u d y t h e r e s p o n s e o f l a r g e s c a l e o i l s t o r a g e t a n k s s u b j e c t e d t o w i n d l o a d ． F i r s t l y ， t h e wi n d p r e s s u r e mo d e l a n d t h e f i n i t e e l e me n t mo d e l o f t h e t a n k we r e i n t r o d u c e d ． T h e n， mo d a l a n aly s i s w a s c o n d u c t e d ． F i n a l l y， wi n d r e s p o n s e s o f t h e t a n k u n d e r t h e s t a t i c a n d d y n a mi c wi n d p r e s s u r e mo d e l s w e r e s t u d i e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e v i b r a t i o n i s t h e mu t i l wa v e v i b r a t i o n， w h i c h i s t h e s u p e r p o s i t i o n o f t h e c i r c u mf e r e n t i al a n d v e r t i c a l v i b r a t i o n s ． F o r t h e t a n k u n d e r t h e s t a t i c wi n d p r e s s u r e， ma x i mu m di s pl a c e me n t o c c u r s o n t h e t a nk wa l l c l o s e t o t h e t o p e dg e， whi l e ma x i mu m s t r e s s h a p p e n s o n t h e j o i n t b e t w e e n t h e b o t t o m p l a t e a n d t h e t a n k w al 1 ． F o r t h e t a n k u n d e r t h e d y n a m i c w i n d p r e s s u r e ， t h e r e i s a t i me d e l a y b e t w e e n t h e p e a k r e s p o n s e e ． g ． d i s p l a c e m e n t a n d s t r e s s a n d t h e ma x i m u m l o a d ． Ke y wo r d s s t o r a g e t a n k； wi n d l o a d； mo d a l a n a l y s i s ； d y n a mi c r e s p o n s e 0 引言 储罐作为油品和各种液体化学品的储存设 备 ， 是石油化工装置和储运系统的重要组成部分 ， 应用非常广泛口- 2 ] 。随着经济 的快速发展 ， 储罐 的数量和容量都迅速增加。目前， 国内已建成的 石油储罐的最大容量已达 1 5万 m - 3 。 随着储罐容积的不断增大， 其径厚比也不断 增大。以5万 m 储罐为例 J ， 其径厚比 r ／ f 为 9 3 8 ， 而文 中 l 0万 m 。储 罐 的径 厚 比 r ／ 已达 1 2 5 0 ， 属于典型的薄壳容器。在风载荷作用下， 罐 体易发生较大的变形 ， 如果变形达到某一极限时 ， 将影响浮顶的正常工作。若储罐储存液体时， 储 第 3 0卷第 5期 压 力 容 器 总第 2 4 6期 液的存在会增强储罐对风载荷的抵抗作用。因 此， 空罐状况下， 是储罐较为危险的状态， 故有必 要对空罐在风载荷作用下的响应进行分析 。 以舟山某 1 0万 m 储罐为例 ， 首先介绍 了风 载荷分析时用到的静 态风压和动态 风压模 型 ， 然 后建立储罐 的有限元模型 ， 再计算该罐的模态 ， 最 后分别计算 了储罐在静态风压和动态风压下的响 应 。 1 风压模型 1 ． 1 静 态风压 模 型 风压沿储罐高度方 向和圆周方 向的分布是变 化的 ， 但 为简化起见 ， 忽略风压沿 高度方 向的变 化， 即认为风压沿储罐高度方向均匀分布 。假 设周 向的风压分布如式 1 所示 ] 6 PA C ／ C O S i 0 1 i0 式中p 风压 ， P a A 风压幅值 ， P a C i 傅立 叶系数 ， 如表 1所示 副 波数 周 向角度 ， 。 表 1 周 向风压分布 的傅 立叶系数 系数 C 0 C l C 2 C 3 C d C 5 C 6 数值 0 ． 3 8 7 0 ． 3 3 8 0 ． 5 3 3 0 ． 4 7 1 0 ． 1 6 6 0 ． 0 6 6 0 ． 0 5 5 周向的风压分 布如 图 1所示 。可 以看 出， 0 。 一 1 8 0 。 时储罐周 向的风压分布 ， 由于风压是关于 子午线 0 0 。 所在平面对称的， 故在 一1 8 0 。一 0 。 时， 储罐的周向风压分布关于图 1纵轴对称 。 图 1 周向风压分布示意 1 ． 2动 态风 压模 型 分析储罐 的动力特性时 ， 取 阶跃 函数作为风 压幅值随时间变化的形式， 如图2所示。可以看 出 ， 当 0时 ， 风压为 0； 当 0 ． 0 5 s时 ， 风压骤 增到稳定时的风压 ； 当0 ． 0 5 s t 6 s 时 ， 风压保 持不变。对储罐进行时程分析 ， 时间为 6 s 。 韶 j 磐 图2 风压幅值随时间变化曲线 1 ． 3风 压 幅 值 通常 ， 取子午线处 00 。 的风压 值为风压 幅值。且如 1 ． 1 节所述， 忽略风压沿高度方向变 化的影响。考虑到高度越大， 风压越大 ， 为保守起 见 ， 取子午线处 的罐顶风压值为飘压幅值。 根据 G B 5 0 0 0 9 --2 0 1 2 建筑结构荷载规范 ， 查得舟山地区的基本风压 q 。 8 5 0 P a L 9 ] 。储罐顶 端的风压值为 P K 1 q 0 A 2 式中p 罐顶的风压值， P a 体型系数 风振系数 风压高度变化系数 g 0 基本风压 ， P a 经过计算 ， 得到风压幅值 A2 1 8 8 ． 6 P a 。 2 有限元模型的建立 2 ． 1 结构参 数 以舟山某 1 0万 m 的石油储罐为例 ， 其结构 如图3 所示。该储罐直径 D 8 0 m， 储罐高度 日 21 ． 8 m。 储罐罐壁由多层不等厚的壳体构成， 底层罐 壁的厚度最大， 由罐底 向罐顶， 罐壁厚度逐渐减 ．3S ． 大型石油储罐 的风 载荷响应分析 小 ， 各层罐壁的厚度如表 2所示。储罐底板 由中 幅板和边缘板构成 ， 中幅板的厚度为 1 1 m m， 边缘 板 的厚度为 2 0 m m。储罐顶部安装有热轧等边角 钢 。 图3 大型石油储罐的结构示意 表 2 储罐罐壁各 层厚度参数 层数 l 2 3 4 5 6 7 8 9 厚度／ m m 3 2 2 7 2 1 ． 5 l 8 ． 5 l 5 1 2 1 2 1 2 1 2 2 ． 2有限元模型 2 ． 2 ． 1 基本假设 本有限元模型的主要假设如下 1 因风载荷作用下 ， 空罐最危险 ， 故仅考虑 罐体 ， 忽略流体的影响 ； 2 因储罐 采用刚性 地基 ， 故 忽略地基 的影 响 ； 3 考虑罐壁 的各 层不 同厚度 、 中幅板 和边 缘板 的不同厚度以及角钢的加强作用 ； 4 忽略其他结构部件 如浮顶等 的影响。 2 ． 2 ． 2网格模型 建立储罐的几何模 型 ， 并采用 4节点壳单元 对模 型进行离散。由于各层壳体以及底板厚度不 同， 故将壳单元赋予不 同的属性 ⋯ 。建立的网格 模型如图 4所示。 2 ． 2 ． 3 材料属性 整个罐体采用钢的材料属性， 即弹性模量 E 2． 0 6 1 0“ Pa ，泊松比／x 0 ． 3 ， 密度 P 7 8 0 0 k g ／m 。 2 ． 2 ． 4边界与载荷条件 边界条件指 的是储罐底部的全位移约束 。载 荷条件指的是风载荷， 包含静态风载荷和动态风 载荷 ， 即静态风压和动态风压。 ．3 6 模态分析时 ， 只需施加边界 条件。静态风载 荷响应分析 时 ， 需要施 加边界条件 和静 态风压 。 动态风载荷响应分 析时 ， 需要施 加边界条件 和动 态 风压 。 图4 大型石油储罐的网格模型 2 ． 2 ． 5 求解设置 采用 AN S Y S软件进行求解 。对于模态分析 ， 采用子空间迭代法 S u b s p a c e I t e r a t i o n ， 提取储罐 的模态 。对于静 态风载荷 响应分析 ， 只需直接加 载静态风压 ， 然后进行计算。对于动态风载荷响 应分析 ， 在 6 s的时间历程内 ， 以 0 ． 0 5 s 为一个载 荷步 ， 然后进行加载计算 。 3 模态分析 通过模态分 析 ， 得 到空罐 的前 1 0阶固有频 率。分析各阶模态的振型发现， 空罐的振动为多 波振动 ， 且多波振动为周 向振动与竖 向振动的叠 加。以第一阶固有频率 f1 ． 2 7 8 1 Hz 为例 ， 模 态振型如 图 5所 示。其对应 的周 向振动波数 为 1 6， 竖向振动波数 为 1 。对于不同 阶数 的空罐模 态 ， 其对应 的周向波数 以及竖向波数不断变化 ， 且 变化趋势非单调增加或减小。 图5 储罐的第一阶模态振型 第 3 0卷第 5期 压 力 容 器 总第 2 4 6期 储罐前 1 O阶的固有频率 以及对应的周 向波 数和竖向波数如表 3所示 。 表 3 储罐 前 1 0阶的 固有 频率 阶数 固有频率 周向波数 竖向波数 1 1 ． 2 7 8 1 1 6 1 2 1 ． 28 5 5 1 5 1 3 1 ． 3 0 0 1 1 7 1 4 1 ． 3 3 0 0 1 4 1 5 1 ． 3 43 3 1 8 1 6 1 ． 4 o 0 1 1 9 1 7 1 ． 41 8 9 1 3 1 8 1 ． 4 6 3 4 2 0 1 9 1 ． 5 2 7 2 21 1 1 0 1 ． 5 59 5 1 2 1 4 风载荷响应分析 4 ． 1 静 态风载荷响应分析 经过计算 ， 得到储 罐的最大位移为 9 ． 5 m m， 位于靠近储罐罐顶的罐壁某处。这是由于无包边 角钢时， 罐顶的变形最大， 而包边角钢的存在将会 约束罐顶的变形 ， 因此， 最大变形不会发生在罐 顶， 而发生在靠近罐顶的罐壁上。沿包边角钢外 侧的位移分布 包括径向位移、 周向位移以及轴 向位移 如图 6所示。 图6 沿角钢外缘的位移分布图 从图6中可以看出， 壳体的位移主要为径向 位移。对于径向位移， 当 3 0 。 时， 储罐受到压 力的作用， 位移为负且位移量处于较低的水平， 在 一 4 mm附近 ； 当3 0 。 6 0 。 时 ， 储罐的位移逐渐 增加 ； 当 06 0 。 时， 储罐 的位移出现极值 ， 此时达 到 9 mm； 当6 0 。 1 0 0 。 时 ， 此 时对应 为储 罐的背风侧 ， 由于所承受的风压载荷较小 ， 故此时储罐 的位移 较小。 经过 计算 ， 得 到储 罐 的最 大 Mi s e s应 力 为 2 8 ． 1 M P a ， 位于储罐底板与罐壁 的连接处 。这是 由于 ， 此处 承载着 由于风载荷产生 的弯 曲应力 。 沿包边角钢外侧的应力分布 包括 Mi s e s应力以 及周向应力 如图 7所 示。对 于该 处， 主要是 风 载荷引起的周 向应力起着 主导作用 ， 而其他应力 分量很小 图中没有给出 。但是 ， 靠近大角焊缝 的上部罐壁 Mi s e s 应力分量存在较大不 同， 如图 8 所示 。 碍 窒 日 塞 图7 沿角钢外缘的应力分布图 图8 沿储罐底部的应力分布图 从 图 8可以看出， 周向应力 的作用较小 ， 而轴 向应力以及剪应力 较为显著 ， 这是因为此处承 载着较大的弯曲载荷。 3 7 C P V T 大型石油储罐的风载荷响应分析 V o l 3 0 ． N o 5 2 O 1 3 4 ． 2 动 态风载荷响应分析 在风载荷作 用 的 6 s内 ， 储罐 的位 移和应力 不断发生变化。下面以 t 0 ． 0 7 5 S 时最大位移和 最大应力处的两个节点为例 ， 分析储罐位移和应 力的时间历程曲线 。 对于储罐位移幅值的时间历程， 如图9所示。 当 t 0 ． 0 7 5 S 时， 储罐的位移在 9 m m附近不断波动。同时， 动态 风压在 0 ． 0 5 S时已经达到最大值 ， 但是储罐位移 在 0 ． 0 7 5 S 时达到最大值 ， 这说 明储罐 对载荷 突 变的响应存在延迟。 图9 某节点的位移幅值时间历程曲线 对于储罐 Mi s e s 应力的时间历程 ， 如图 l 0所 示 。当 t 0 ． 0 7 5 S 时 ， 储罐的应力在某一应力值附近不断波动。同 时 ， 风压在 0 ． 0 5 S时 已经达 到最 大值 ， 但是储 罐 的应力在 0 ． 0 7 5 s 时才达 到最大值 ， 储 罐对载荷 突变的响应存在延迟 。 西 窆 38 图 1 O 某节点的 Mi s e s 应力时间历程曲线 5 结论 通过对某 1 O万 m 大型石油储 罐进行模态 分析 ， 并分析风载荷对储罐结构 的影响 ， 得到的结 论如下 1 空罐 的振 动形式为多波振 动 ， 该振 动为 储罐周向振动和竖向振动的叠加。对于不同阶的 储罐模态 ， 对应的周 向波数 以及竖 向波数不断变 化 ， 且变化趋势非单调增加或减少 。 2 静态 风载荷作用下 ， 储罐 的最 大位移发 生在靠近储罐罐顶的罐壁某处， 这是由于包边角 钢的存在约束罐顶 的变形 ； 最大应力发 生在底板 与罐壁 的连接处 ， 这是 由于连接处承载着 由风载 荷引起 的弯曲载荷 。 3 动态风载荷 作用下 ， 对于位移 的时间历 程 起初储罐的位移迅速增加到最大值 ， 然后位移 在某值附近不断波动。同时 ， 储罐的位移峰值延 迟于载荷的变化。 4 动态 风载荷作用下 ， 对于应力 的时间历 程 起初储罐的应力迅速增加到最大值， 然后应力 在某值附近不断波动。同时， 储罐的应力峰值延 迟于载荷的变化 。 参考文献 [ 1 ] 苏文献， 韩超． 大型储罐屈曲失效及修复的有限元 模拟[ J ] ． 压力容器， 2 0 1 1 ， 2 8 1 5 1 5 7 ． [ 2 ] 徐英 ， 杨一凡， 朱萍， 等． 球罐和大型储罐 [ M] ． 北 京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ] 沈利英， 沈士明． 大型储罐的模态分析[ J ] ． 炼油技 术与工程 ， 2 0 0 8 ， 3 8 5 5 96 2 ． [ 4 ] 周利剑． 水平地震激励下立式储罐与地基相互作用 动力响应分析[ D] ． 哈尔滨 哈尔滨工程大学 ， 2 0 0 6 ． [ 5 ] 周平槐， 赵阳， 黄业飞． 风荷载作用下柱支承钢筒仓 的受力性能[ J ] ． 工程设计学报， 2 0 0 5， 1 2 4 2 4 3 24 7． [ 6 ] R i s h R F ． F o r c e s i n C y l i n d r i c a l C h i m n e y s D u e t o Wi n d [ J ] ． I C E P r o c e e d i n g s ， 1 9 6 7 ， 3 6 4 7 9 1 8 0 3 ． [ 7 ] G o d o y L A， F l o r e s F G ． I mp e r f e c t i o n S e n s i t i v i t y t o E l a s t i c B u c k l i n g o f Wi n d L o a d e d O p e n Cy l i n d ri c a l T a n k s[ J ] ． S t r u c t u r al E n g i n e e ri n g and M e c h a n i c s ， 2 0 0 2， 1 3 5 5 3 3 5 4 2 ． 下转第7 3页 第 3 0卷第 5期 压 力 容 器 总第 2 4 6期 因为此时探 头不是直接 接触金 属表面使 噪声减 无损检测技术 ， 可应用于工程实际检测中。 小 ， 有利于检测 ； 参考文献 图 1 0 可疑信号图形 2 检测 中偶尔会 出现因操作不 当出现大于 杂波幅值的图形， 但图形的形状及相位角与裂纹 的形状及相位角有很大差别 ， 而且重操作一次会 消失 ， 没有重复性 ； 3 检测 时为 了减小 噪声 ， 探 头扫描的速度 要均匀 ， 对焊缝表面较不规整 的部位 ， 可将探头 的 底部接触面包裹较软 的材料 ， 起到减少 噪声、 达到 降低杂波 的效果 ； 4 扫查时对焊缝 的横 向和周 向两个方 向进 行扫描 ， 手捏探头的方向与扫描方向平行 。 4结论 试验测试及应 用结果表 明， A C F M 技术对非 金属涂层具备 良好 的穿透能力 ， 很容易得到深度 信息的度量， 工件表面的油漆等非金属涂层及防 腐保护层对检测影响不大 ， 因而在实 际检测 中可 不对被测表面做任何处理 ， 不像其他方法那样需 用表面打磨及耦 合剂。此 技术采 用平面 图形 分 析 ， 利用图像可将各种信息很直观地进行区分， 可 有效地发现表面裂纹等缺陷 ， 具有适用 、 检澳 4 速度 快、 测试结果准确等特点， 是一种高效可靠的电磁 [ 1 ] 宋树波， 邵泽波， 李凤兰． 反应器的在役涡流检测技 术[ J ] ． 压力容器， 2 0 0 4 ， 2 1 8 5 1 5 3 ． [ 2 ] 宋树波， 邵泽波， 王军， 等． 高温蒸汽弯管的在役涡 流检测技术[ J ] ． 压力容器， 2 0 0 6 ， 2 3 6 5 5 5 7 ． [ 3 ] 刘贵民． 无损检测技术 [ M] ． 北京 国防工业出版 社 。 2 0 0 6 1 2 51 2 6 ． [ 4 ] P a p a e l i a s M P ， L u g g M C， R o b e r t s C， e t a 1 ． H i is h S p e e d I n s p e c t i o n o f R a i l s u s i n g A C F M T e c h n i q u e s [ J ] ． N D T 8 I n t e rna t i o n a l ， 2 0 0 9， 4 2 3 2 83 3 5 ． [ 5 ] 倪春生， 陈国明， 李伟， 等． A C F M 探测线圈的结构 优化及 试 验测 试 [ J ] ． 传 感 器 技术 学 报， 2 0 0 7 ， 2 0 2 3 7 03 7 2 ． [ 6 ] 宋凯， 康宜华 ， 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