大型液化天然气储罐拱顶应力分析.pdf

第 4 2 卷第 5 期 2 0 1 3年 9月 石油化工设备 P ETRO- CHEMI CAL EQUI P M E NT Vo1 ．4 2 No． 5 Se pt ．2 01 3 文章编号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 3 0 5 1 9 0 5 大型液化天然气储罐拱顶应力分析 刘 佳 ，陈叔 平 ，刘福 录 ，任永平 1 ． 兰州理工大学 石油化工学院 ，甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0 ； 2 ． 甘肃蓝科石化高新装备股 份有 限公 司 ，甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0 摘要 针对大型液化天 然气储 罐拱顶 复杂的应 力分析 问题， 在介 绍其拱顶 结构的基 础上 ， 参考 HG／ T 2 0 5 1 7 1 9 9 2 钢制低 压 湿式 气柜 、 GB 5 0 0 1 7 2 0 O 3 钢 结构设 计规 范 以及 API 6 5 0 2 O 1 2 钢制焊接石油储罐 标准， 完成 了在均布载荷 与集中载荷共 同作 用下储罐拱 顶应 力的理论计算。 以 4 0 0 0 0 m。 液化天然气储罐为例， 通过对理论计算结果与数值模拟结果的比较 ， 确定 了拱顶 网壳 的危险截面。结果表 明， 在均布载荷与集 中载荷共 同作用下， 拱顶最外圈环向梁段以及径向梁中靠 近 拱脚 的 梁段 受力较 大 ， 为拱 顶 网 壳的危 险截 面 。 关 键词 大型液化天然气储罐；拱顶；应力分析；数值模拟 中图分 类 号 TE 9 7 2 ；T Q 0 5 3 ． 2 文 献标 志码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s r u 1 0 0 0 - 7 4 6 6 ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 0 6 S t r e s s An a l y s i s o f Va u l t o f La r g e - s c a l e Li q u e f i e d Na t u r a l Ga s S t o r a g e Ta n k LI U J i a ，CHE N S h u - p i n g ，L I U F u l u ，REN Yo n g - p i n g 1 ． Col l e ge o f Pe t r o c he mi c a l En gi n e e r i n g，La n z h ou Uni v e r s i t y o f Te c h no l o gy， La n z h ou 7 3 0 05 0，Chi na；2． La n pe c Te c hno l o gi e s Li mi t e d，La n z h ou 7 3 0 07 0，Ch i na Ab s t r a c t F o r t h e c o mp l e x s t r e s s a n a l y s i s o f t h e v a u l t o f l a r g e s c a l e l i q u e f i e d n a t u r a l s t o r a g e t a n k，t h e t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n o f t h e v a u l t s t r e s s o f s t o r a g e t a n k u n d e r t h e j o i n t a c t i o n o f u n i f o r m l o a d a n d c o n c e n t r a t e d 1 o a d wa s c o mp l e t e d a c c o r d i n g t o HG／ T 2 0 5 1 7 1 9 9 2 S t e e l LO W Pr e s s u r e f o r We t G a s Ho l d e r 。GB 5 0 0 1 7 --2 0 0 3 C o d e f o r De s i g n o f S t e e l S t r u c t u r e s a n d AP I 6 5 O 一 2 0 1 2 We l d e d T a n k s f o r O i l S t o r a g e o n t h e b a s i s o f i n t r o d u c i n g t h e v a u l t s t r u c t u r e o f l a r g e s c a l e l i q u e f i e d n a t u r a l s t o r a g e t a n k ．Th e n，t a k i n g 4 0 0 0 0 m。 l i q u e f i e d n a t u r a l s t o r a g e t a n k a s a n e x a m pi e，t he da ng e r ou s s e c t i o ns of t he v a u l t we r e ob t a i ne d by t he c o m p a r i s on be t we e n r e s ul t s of t he o r e t i c a l c a l c u l a t i on a n d nu m e r i c a l s i mul a t i on ． The r e s u l t s ho ws t ha t t he o ut e r m o s t r i n g b e a m a nd t he p a r t of r a d i a l be a m n e a r t he e n d o f v a u l t e n du r e hi gh e r s t r e s s an d a r e t he d a nge r ou s s e c t i on s o f t he v a ul t un de r t he Ke y wo r d s l a r g e s c a t I On o i nt a c t i o n of u ni f or m 1 o a d a nd c on c e nt r a t e d l o a d． e l i q u e f i e d na t ur a l s t o r a g e t a nk；v a ul t ；s t r e s s a n a l ys i s；nu m e r i c a l s i mul a 一 随着 能源 需求 量 的持续 增 长 和液 化 天 然气 L i q u e f i e d Na t u r a l Ga s， L NG 产业链的不断发展， 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 2 6 基金项 目甘肃省科技重大专项 1 2 0 3 G KD A0 0 1 作者简介 刘佳 1 9 8 7 一 ， 女 ， 甘肃 - - 1 人 ， 硕士研究生 ， 从事低 温储运设备应力分析研究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 3 年第 4 2卷 中小型 L NG储罐 已不能满 足其储 运需求。因此 ， 大 型 L NG储 罐 的应用 已成 为 发展 的必 然趋 势 L 1 ] 。 与中小型 L NG储罐相 比， 大型 L NG储罐具有 占地 面积小 ， 节省钢材、 配件、 投资和便于操作管理等优 点 。然而， L NG储罐大型化的同时 ， 也给设计 、 制造 和施工带来了新的问题， 特别是其大跨度拱顶 的结 构设计 、 应力分 析等， 已经成为行业普 遍关注的 问 题 [ 4 ] 。 目前 ， 国 内尚无 L NG储 罐 的专 用设 计 标 准 ， S H 3 0 4 6 --1 9 9 2 石 油 化 工 立 式 圆 筒 形 钢 制 焊 接 储 罐设 计规范 、 NB ／ T 4 7 0 0 3 ． 1 2 0 O 9 钢制 焊接 常压 容器 以及 G B 5 0 3 4 1 --2 0 0 3 立 式 圆筒 形 钢 制焊 接 油罐设 计规 范 也 仅适 用 于直 径小 于 3 2 m 或 拱 顶 曲率半径小于 4 0 r n的储罐 。 ] 。国外储罐的设计标 准 AP I 6 5 0 --2 0 1 2 { 钢制焊接石油储罐 虽然能够满 足大直径 的设计要求[ 8 ] ， 但对储罐拱顶 的应力计算 未给出详细的分析和计算。为此， 笔者在介绍大型 L NG 储 罐 拱 顶 结 构 的 基 础 上 ， 综 合 参 考 HG ／ T 2 0 5 1 7 1 9 9 2 钢 制 低 压 湿 式 气 柜 、 G B 5 0 0 1 7 -- 2 0 0 3 钢 结构 设 计 规 范 以及 AP I 6 5 O 2 0 1 2 钢 制 焊接石油储罐 _ 8 。 ， 对大型 L NG储罐拱顶承受均 布载荷 和集 中载荷 时 的拱 顶 网壳轴力 、 弯 矩 、 强度 以 及稳定性计算分别进行详细分析 ， 并 以 4 0 0 0 0 1T I 。 L NG储罐为例进行理论计算与数值模拟 ， 来确定拱 顶网壳的危险截面。 l 拱顶结构 大型 L NG储罐 的外罐顶 为拱 顶结构， 内罐顶 为悬挂式平顶结构 ， 由吊杆悬挂在外罐顶上 ， 其 结 构 示 意 见 图 1 ， 常 用 的 经 纬 型 网 壳 拱 顶 结 构 见 图 2。 图 1 大 型 LNG 储 罐 结 构 不 图 经纬型网壳拱顶形状近似球面， 曲率半径通常 是圆筒形罐壁直径 的 0 ． 8 ～1 ． 2倍， 主要 由蒙皮 、 网 壳及中心环 3部分组成。网壳是承受操作负压 、 雪 载荷 、 检修荷载及结构质量 的主要受力构件_ 】 ， 由 径向梁与环向梁组成空间球面结构 ， 径 向梁一端与 中心环相连 ， 另一端延伸至承压环处， 通过拉板与承 图 2经 纬 型 网壳 拱 顶 结 构 压环相连_ 1 。在径向梁之间， 有若干圈环向梁与之 相连。网壳另有数组斜支 撑， 起加强兼抗 风作用 。 蒙皮起密封、 保护作用 ， 最小厚度可根据文献[ 8 ] 计 算 选取 。 经纬型网壳拱顶网壳 的梁系应尽量选用稳定性 好且不容易出现整体失稳现象的轴对称型钢_ 】 。 梁 的布置、 梁的截面参数选择需考虑中心环直径 、 现 场操作空间以及中心环上各焊接部位相互间的热影 响等 问题 。一般径 向梁 端部 与 中心 环焊 接部位 沿 中 心环 弧长 的距离 不宜小 于 2 0 0 mml 1 引。 2 理论计算 L N G储罐拱顶所受外 载荷大致可分为均布载 荷与集中载荷两种。其中， 拱顶 自重、 罐内在操作条 件 下产生 的真 空度 、 雪载荷 、 拱顶 表面 均布 活载 荷均 属 均布 载荷 ， 而 内吊顶 自重属 于集 中载荷 。 2 ． 1 拱顶承受均布外载荷 2 ． 1 ． 1 节点载荷确定 拱顶 网壳 均布外 载荷 q按下 式计 算 g q 1 q 2 ma x q 3 ， q 4 1 式 中， q 为外拱顶 自重， 包括蒙皮、 网壳 以及各种附 件 的重量， q 为罐 内在操作条件下产生的真空度 ， q 。 为雪载荷 ， q 为拱顶表面均布活载荷 ， N／ m 。 拱顶水 平投 影 面上 的雪 载 荷 标 准 值 q 。可 按 下 式计算 q 3 一 S o 2 式中， 为屋面积雪分布系数， 按文献 [ 1 6 - 1 根据不 同类别屋面形式取值； S 。为基本雪压 ， 按文献[ 1 6 - 1 附录给出的 5 0 a 一遇的雪压取值 ， k N／ m 。 拱顶水平投影面上 的均布活载荷 q ， 应按文献 [ - 1 6 ] 中屋面均布活载荷表选取。 按拱顶结构作计算简 图 图 3 ， 节点 的载荷 面 积按下式计算 A 一7 c 一r 一 1 ／ 3 式 中， A 为节点载荷面积 ， r n ； 为主径 向梁与次径 向梁根数之和， 若所计算 的面积内无次径 向梁， 计算 时取主 径 向梁根数 ； 为两 环向梁之 间的平均 半 径 ， m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 刘佳 ， 等 大型液化天然气储罐拱顶应力分析 拣 ， QI 百 Ot 2 J 1 ． f ． Z F f Z ． 节点 图 3拱 顶 结 构 计 算 简 图 节点载荷 F 按下式计算 F q A 4 2 ． 1 ． 2径向梁计算 径 向梁 段轴 力按 下式 计算 Fs一 一FQ 1 FQ 2 FQ 3 “ “ Fa ． 5 S1 n 式中， F 为各节点载荷引起的各段轴力 ， N， 其正值 表示 梁段 受拉 ， 负值 表 示梁 段受 压 ． 口 f 为径 向梁 各 节 点处 切线 与水 平线 之 间夹 角 ，o 。 径向梁段上轴力引起的偏心弯矩按下式计算 M1 Fs l ／ 8 R 6 式 中， M1 为各径 向梁段 的偏心弯矩 ， N mm； z 为 径 向梁的分段长度 ， R为拱顶球面曲率半径 ， mm。 径 向梁局部弯矩作用 的载荷 面积 AⅨ按照下式 计 算 A 一忌 兀 [ z 。 z 1 l 2 ⋯z 。 一 z 。 z 1 ⋯z 一 1 。 ] ／ 7 式 中 ， 惫 为径 向梁 分段 长 度 占 围成 面 积 上梁 段 总 长 度 百分 比。 径向梁段所受局部载荷按下式计算 FⅨ一 q A 8 径向梁段局部弯矩按下式计算 M2 一F l 。 ／ 6 9 径向梁段弯矩按下式计算 MD Mz Ml 1 0 2 ． 1 ． 3 环 向梁计算 环向梁段轴力按下式计算 F N 1 一F 。 l c t g 2 s in ⋯ FM一一[ F Q 1 F Q 2 ⋯F Q c t g a 一 F Q 1 F Q 2 ⋯F 一 1 c t g a 一 1 ] ／ [ 2 s i n 1 8 0 。 ／ n ] 1 2 环 向梁段弯矩计算时的载荷面积 A 计算载荷 F 计算弯矩 Mr 分别按以下各式计算 A 一 是 A 1 3 F q A 1 4 Mr 一F Z ／ 6 1 5 式中， k 为环 向梁分段长度 占围成面积上梁段总长 度百 分 比 ； z 为 环 向梁 的分段长 度 ， mm。 2 ． 2 拱顶承受集中外载荷 径向梁的下翼缘与 吊杆焊接在一起 ， 通过 吊杆 连接 内吊顶。因此 ， 可 以把 内吊顶对整个外拱顶的 作用看作是沿着 吊杆分布的集 中载荷。这些集 中载 荷直接作用于径 向梁 ， 并且作用点不在径 、 环向梁相 交 的节点处 ， 所 以 ， 可认 为 主要 承 力 构 件 为径 向梁 ， 而蒙皮和环 向梁起抵制径向梁产生变形的作用 。因 此 ， 计算整个拱顶 的应力分布变为计算径向梁 的应 力分布， 这样计算是偏安全的。 集 中载荷按下式确定 F W／ t 1 6 式中， 为沿吊杆作用 的集 中载荷， w 为 内吊顶、 吊 杆 和绝 热层 总质量 产生 的重 力 ， N； t 为 吊杆数 量 。 径向梁轴力按下式计算 Fs ， 一一 F1 F2 ⋯ F ／ s i n 1 7 式中， 为集中载荷作用点处切线与水平线之间夹 角 ， 。 。 径向梁段上轴力 引起 的偏心弯矩按下式计算 M1 一Fs ， l ／ 8 R 1 8 集 中载 荷 作用 于 径 向梁 ， 可认 为 载荷 全 部 由径 向梁承担 ， 此载荷所引起 的径向梁局部弯矩按下式 计 算 M2 一F Z ／ 6 1 9 径 向梁 段 弯矩为 M 一M2 一M】 2 0 2 ． 3 拱顶强度、 稳定性及长细比校核 2 ． 3 ． 1 径 向 梁段 强 度 校 核 径 向梁 段强 度 按下 式校 核 一 士 ≤ ， 式 中， F 、 Mx p My 分别为计算梁段 的轴力、 绕 轴 和 Y轴的弯矩 。由于均布载荷和集 中载荷 同时作 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 刘佳 ， 等 大型液化天然气储罐拱顶应力分析 2 3 基本 相等 ， 且 均小 于材 料 Q3 4 5的许用 应 力 ， 满 足 强 度要求 ； 对于两种载荷共同作用下的环向梁 ， 理论计 算与数值模拟的结果均表明最外 圈的环 向梁为危险 截面 ， 危险截面处的理论计算强度值与模拟应力值 均小于材料 Q3 4 5的许用应力， 满足强度要求 ， 但理 论计算强度值远大于模拟应力值 。出现偏差的主要 原 因是由于在均布载荷作用下 ， 理论计算 中径 向梁 、 环 向梁承 受 的局部 载 荷 是 机 械 地按 照径 向梁 、 环 向 梁长度 占围成面积上梁段总长度的 比例 分配 的， 但 事 实上 主要 承力 构 件 还 是 径 向梁 ， 环 向梁 承受 的载 荷按照理论计算那样分配显然偏大。因此 ， 这种载 荷分配导致 了环向梁上的理论计算强度值偏大。 4 结 论 1 在 均 布 载 荷 与 集 中 载 荷 共 同 作 用 下 ， 4 0 0 0 0 IT I 。L N G 储 罐 拱 顶 网 壳 最 外 圈 的环 向 梁 段 以及径向梁中靠近拱脚 的梁段受力较大 ， 为拱顶 网 壳的危险截面。 2 拱顶 应 力分 析 的理 论 计 算 方法 虽然 有 待 于 进一步完善 ， 但仍不失为一种可行的选择， 可在今后 大 型 L NG 储 罐 拱 顶 的应 力 分 析 中推 广 应 用 ， 为 其 工程设计 、 应力分析及结构优化提供参考。 参考文献 [ 1 ] S C U RI O C K R G ．D e v e l o p me n t o f L o w I o s s S t o r a g e o f C r y o g e n i c L i q u i d s o v e r t h e P a s t 5 0 Y e a r s [ J ] ． Kr y o s Te c h n o l o g y，2 0 0 4 7 1 3 4 1 4 5 ． [ 2 ] 王彬． 大型立式 圆筒形储 罐拱架 应力 强度 计算 [ J 7 ． 化 工设计 ， 2 0 0 9 ， 1 9 4 2 3 2 6 ． W ANG Bi n． St r e s s I n t e ns i t y Ca l c u l a t i on o f Ar c h Fr a me S t r uc t u r e f o r La r ge - s c a l e Ve r t i c a l Cyl i n dr i c al T a n k[ J ] ．C h e mi c a l E n g i n e e r i n g De s i g n ，2 0 0 9 ，1 9 4 2 3 - 2 6 ． [ 3 ] 尹哗听 ， 王瑜． 大型拱顶储罐 的有 限元计算 [ J ] ． 油 气储 运 ， 2 0 0 3 ， 2 2 1 2 3 2 6 ． YI N Ye x i n，W ANG Yu．FEM Ca l c ul at i o n on La r ge s c a l e S t o r a g e Ta n k wi t h D o me R o o f s [ J ] ．Oi l 8 L G a s S t o r a g e a n d Tr a n s p o r t a t i o n，2 0 0 3 ，2 2 1 2 3 2 6 ． [ 4 ] 徐思浩 ， 张红． 储罐顶盖 网架 的应力 和变形分 析[ J ] ． 油 气储运 ， 1 9 9 9 ， 1 8 1 1 0 - 1 2 ． XU S i h a o，ZHANG Ho n g ． S t r e s s a n d De f o r ma t i o n A n a l y s i s o f t h e S t o r a g e Ta n k s To p C o v e r [ J ] ．Oi l Ga s S t o r a g e a n d Tr a n s p o r t a t i o n，1 9 9 9 ，1 8 1 1 0 1 2 ． E 5l S H 3 O 4 6 1 9 9 2 ， 石油 化工 立式 圆筒 形 钢制 焊接 储 罐 设计规范[ S ] ． SH 3 04 6-- 1 99 2， Pe t r o c h e mi c a l De s i gn Sp e c i f i c a t i o n f o r Ve r t i c a l Cy l i nd r i c a l St e e l W e l de d St or a g e Ta n ks E s ] ． [ 6 ] N B ／ T 4 7 0 0 3 ． 1 2 。 0 9 ， 钢制焊接常压容器I s ] ． NB／ T 4 7 0 0 3 ．1 2 O O 9 ，S t e e l We l d e d At mo s p h e r i c P r e s s u r e Ve s s e l s [ S ] ． [ 7 ] GB 5 0 3 4 1 2 0 0 3 ， 立式 圆筒 形钢 制焊接 油罐设计 规范 [ s ] ． GB 5 03 41 -- 2 00 3，Co de f or De s i gn o f Ve r t i c a l Cy l i n d r i c a l We l d e d S t e e l Oi l Ta n k s [ S ] ． [ 8 ] AP I 6 5 0 一 一 2 0 1 2 ， 钢制焊接石油储罐 [ s ] ． A P I 6 5 0 ⋯ 一2 0 1 2 ， We l d e d Ta n k s f o r O i l S t o r a g e [ S ] ． E 9 ] HG ／ T 2 0 5 1 7 1 9 9 2 ， 钢制低压湿式气柜I s ] ． HG／ T 2 0 5 1 7 1 9 9 2， S t e e l Lo w P r e s s u r e f o r We t Ga s Ho l d e r E S ] ． E l 0 ]G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ， 钢结构设计规 范[ s ] ． GB 5 001 7 2O O3，Cod e f o r De s i gn of St e e l St r u c t ur e s [ s ] ． [ 1 1 ]王红光 ， 崔金栋 ． 大型双壳低温储罐 的设计 特点[ J ] ． 石 油化工设备技术 ， 2 0 1 0 ， 3 1 4 7 - 8 ． W ANG Ho n g g u a n g ， CUI J i n - d o n g ． Th e De s i g n F e a t u r e s o f L a r g e D o u b l e s h e l l C r y o g e n i c Ta n k[ J ] ． Pe t r o c h e mi c al Eq ui pme nt Te c hno l ogy，20 10，3 1 4 7 8． [ 1 2 ]黄锋． 网壳拱顶 在大型 固定顶储 罐 中的应 用E J ] ． 南 京 化 工大学学报 ， 2 0 0 0 ， 2 2 3 3 9 4 2 ． H UANG F e n g ． Ap p l i c a t i o n o f L a t t i c e Do m e i n L a r g e F i x e d R o o f S t o r a g e T a n k E J ] ． J o u r n a l o f Na n j i n g Un i ve r s i t y o f Che mi c a l Te c hno l ogy，20 00，22 3 3 9 42 ． [ 1 3 ]豆文娇．大型 L NG储罐拱顶结构应力分析 [ D ] ． 兰州 兰州理 工大学 ， 2 0 1 1 ． D0U W e n j i a o ．S t r e s s An a l y s i s o f Ar c h S t r u c t u r e o f L a r g e L N G S t o r a g e T a n k E D ] ． L a n z h o u L a n z h o u Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， 2 0 1 1 ． [ 1 4 ]张薇 ， 夏莉． 带加强肋 的储罐罐顶设 计探讨[ J ] ． 石油化 工设备技术 ， 2 0 1 0 ， 3 1 5 1 3 1 5 ． Z HANG We i ，XI A L i ． Re s e a r c h o n t h e De s i g n o f T a n k R o o f wi t h S t i f f e n e r s [ J ] ．P e t r o c h e mi c a l E q u i p me n t Te c h n o l o g y ，2 0 1 0，3 1 5 1 3 1 5 ． [ 1 5 ]张海涛． 中小型立式 圆筒形钢 制储罐 外构 架拱顶 设计 的讨论 _ J ] ． 广东化工 ， 2 0 0 8 ， 3 5 7 1 5 7 1 6 0 ． ZH ANG Ha i - t a o．Di s c us s i on on t he De s i gn o f Ext e r n a l Ra f t e r Do o m Ro o f f o r S ma l l a n d M e d i u m Ve r t i c a l C y l i n d r i c a l S t e e l T a n k s E J ] ．Gu a n g d o n g C h e mi c a l I n d u s t r y ，2 0 0 8 ，3 5 7 1 5 7 - 1 6 0 ． [ 1 6 ]G B 5 0 0 0 9 --2 0 0 1 2 0 0 6年版 ， 建 筑结构荷 载规 范[ S ] ． GB 5 0 0 0 9 -- 2 0 0 1 2 0 0 6 Ed i t i o n ， L o a d Co d e f o r t h e D e s i g n o f B u i l d i n g S t r u c t u r e s E s ] ． 杜 编 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m