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某石化公司引進(jìn)的兩座12.5xl5m3外浮頂式原油儲罐，是我國目前容量最大的原油儲罐。由于國內(nèi)尚無該類型原油儲罐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也了解甚少，一旦這類大型儲罐因強(qiáng)度不足發(fā)生故障，必將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為了全面了解該類型原油儲罐的強(qiáng)度特性，做好其罐體投用的技術(shù)鑒定和資料整理并為該類罐體設(shè)備的國產(chǎn)化打下基礎(chǔ)，現(xiàn)采用ANSYS軟件 (國際通用有限元分析軟件)和有限元分析設(shè)計(jì)測評法，著重對其中一座大型儲罐進(jìn)行了各部位的應(yīng)力分析和安全性評價(jià)。
由圖可以看出，該儲罐內(nèi)徑為90m，高22m，罐底邊緣板材料為SPV490Q鋼(日本牌號，材料性能與中國牌號07MnCrVR相同)，厚21mm，罐底中幅板材料為Q235A鋼，厚12mm。自下向上的第一至第五圈罐壁材料為SPV490Q，厚度依次為36.5mm、28mm、22.5mm、18mm和13.5mm；第六圈罐壁材料為16MnR鋼，厚12mm；第七、八圈罐壁材料為Q235C鋼，厚度為12mm。在第七、八圈罐壁處焊有兩圈抗風(fēng)圈，在第五、六、七圈罐壁焊有中間加強(qiáng)圈。儲罐基礎(chǔ)為混凝土環(huán)墻十回填沙，回填沙的彈性模量為17.5MPa，混凝土環(huán)墻彈性模量為28000MPa。常溫下鋼材的物理性能見表，材料的常溫力學(xué)性能見表。
對于大型原油儲罐，水壓試驗(yàn)比正常的儲油工況更危險(xiǎn)，為此，現(xiàn)進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)儲罐的強(qiáng)度分析。12.5x10m3外浮頂式原油儲罐最高設(shè)計(jì)液位為20.5m，在這種工況下圓筒形罐壁主要承受的是呈三角形分布、由上至下逐漸增大的儲液靜壓力和儲罐及附件的自重兩部分載荷。
由于儲罐結(jié)構(gòu)及承受載荷均為軸對稱，因此可以采用軸對稱的方法建立模型。取縱向剖面的一半進(jìn)行分析。由于厚度尺寸相對于儲罐整體尺寸小，因此，在圖中壁厚截面呈現(xiàn)為一條線。選用二維平面單元類型Plane183對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分了17478個(gè)單元，共包含64214個(gè)節(jié)點(diǎn)。儲罐的有限元模型罐體各部分材料的密度及彈性模量幾乎完全相等，彈性模量為21000MPa，泊松比為0.3，密度為7550kg/m3。
儲罐為軸對稱結(jié)構(gòu)，在圖中以x=0的罐底剖面(對稱面)施加對稱約束。儲罐基礎(chǔ)為混凝土環(huán)墻+回填沙，由圖可以看出，罐底邊緣板的外邊緣支撐在混凝土環(huán)墻上，而邊緣板的內(nèi)邊緣以及中幅板則正撐在回填沙上。為了模擬這種基礎(chǔ)支撐，在罐底邊緣板外邊緣的下端添加一彈性模量為28000MPa的彈性體(等于混凝土環(huán)墻的彈性模量)；在中幅板及邊緣板內(nèi)圈支撐在回填沙上的邊緣板底部，添加一彈性模量為17.5MPa的彈性體。
兩種彈性體的厚度均為0mm(如果中幅板及邊緣板在y方向的位移大于此厚度，則需重新設(shè)定)，在兩塊彈性體的底邊y方向(豎直方向)上的位移約束為0。
對整個(gè)模型施加y負(fù)方向的重力加速度(g取9.8)時(shí)，大型儲罐的圓筒形罐壁承受著按三角形分布、由上至下逐漸增大的儲液靜壓(見圖中在側(cè)壁施加線性分布的壓力)。由于水的密度1000kg/m，所以得到距離液面高度(h)的罐側(cè)壁承受的儲液壓力(P)為：已知液面高度為20.5m，液壓由液面(0)至罐底(0.198MPa)呈三角形狀線性增加，所以計(jì)算式求得罐底部承受的液壓均為0.198MPa。
由圖可以看出，第一圈罐外壁，隨著罐壁高度的增加，環(huán)向應(yīng)力也隨之增加，高度約為3.001m時(shí)環(huán)向應(yīng)力達(dá)到最大，約為241MPa。對于第二圈罐壁，隨高度的增加，環(huán)向應(yīng)力先略有增加，然后下降。對于第三、第四圈罐壁，環(huán)向應(yīng)力隨高度增加繼續(xù)緩慢降低。從圖中也可以直觀地看出，各圈罐壁的環(huán)向應(yīng)力均小于該圈罐壁材料的許用應(yīng)力值，特別是第六圈罐壁有較大安全裕度。
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