大型儲罐的強度與剛度分析及設計方法研究.pdf

1、當今石油資源緊缺，油價波動頻繁，致使各國十分重視石油資源的戰(zhàn)略儲備。大型儲罐是目前石油大量存儲的理想設備，其中立式圓筒形儲罐是大型儲罐當代最常見的結構形式，并已有近百年的使用歷史。而由于立式圓筒形儲罐結構的復雜性與載荷的多樣性，目前基于規(guī)范的該種儲罐的力學計算與結構設計仍有很多不足或不合理之處。本論文從強度、穩(wěn)定性與抗震性能等角度對大型儲罐的罐體與浮頂?shù)牧W性能與結構設計進行了深入研究，主要研究內(nèi)容和得到的結論如下:
　　(1)關

2、于大型儲罐罐壁的設計定點法和變點法是大型儲罐罐壁設計的兩種經(jīng)典方法，此外，基于有限元分析的優(yōu)化設計方法在大型儲罐設計中的應用越來越廣泛。本論文采用上述三種方法對容積為1×105m3與2×105m3的兩臺大型儲罐進行設計，并對設計結果進行比較。結果表明，定點法與變點法并不能很好考慮罐底及下層罐壁對上層罐壁的影響，而基于有限元分析的優(yōu)化設計是一種合理有效的設計方法。此外，本論文詳細分析了容積為2×105m3的大型儲罐罐體的基本變形形式與應力

3、分布特點。大角焊縫區(qū)域存在結構突變，應力水平較高，最高應力出現(xiàn)在內(nèi)側大角焊縫下沿，即焊縫與底板聯(lián)接位置。各層罐壁中第二層罐壁應力水平最高。
　　(2)關于大型儲罐罐體的穩(wěn)定性抗風圈與加強圈用于保證罐體在風載荷作用下的剛度與穩(wěn)定性。本論文介紹了我國標準GB50341與美國標準API650中抗風圈與加強圈的設計理念、設計方法與計算公式的推導過程。兩標準在風載荷的環(huán)向分布與各部件間的相互加強兩方面仍不完善。本論文建立了抗風圈與加強圈設計

4、的三維流固耦合模型，在充分考慮各部件間相互作用的基礎上，模擬并得到了合理的風載荷分布。通過該模型，本論文提出了基于最小鋼材消耗量的抗風圈與加強圈的設計方法，并給出了抗風圈與加強圈最小截面模量與最大未加強罐壁高度的計算公式。在本文所考慮的儲罐尺寸與載荷范圍內(nèi)，對于同一儲罐，按該方法設計的抗風圈與加強圈鋼材消耗量通常不超過按API650設計的抗風圈與加強圈鋼材消耗量的35％。
　　(3)關于大型儲罐雙盤浮頂?shù)脑O計本論文介紹了大型儲罐雙

5、盤浮頂?shù)慕Y構特點、常見的載荷與破壞形式。針對多種載荷共同作用可能出現(xiàn)載荷重新分布的現(xiàn)象，本論文以“雪載荷+泄露載荷”與“雨載荷+泄露載荷”兩種工況為例，提出了各種工況中載荷的計算方法。對于浮項的強度與穩(wěn)定性分析，子模型法與等效結構替代法是兩種常見方法，但這兩種方法均需建立浮頂?shù)恼w模型，簡化效果有限。本論文根據(jù)雙盤浮頂?shù)慕Y構與載荷特點提出了最小區(qū)域分析法，并通過該方法得到了浮項的極限載荷與臨界載荷。該方法無需建立浮頂?shù)恼w模型，操作方便

6、，能有效降低有限元模型的規(guī)模，提高計算效率，并能得到相對保守的結果。
　　(4)關于大型儲罐罐體的抗震由于大型儲罐難以直接進行地震試驗，本論文根據(jù)大型儲罐的結構特點建立了其縮減結構，并對縮減結構進行地震試驗和有限元分析。試驗結果與有限元結果的比較證明了有限元模擬的有效性。通過有限元時程分析，本論文得到了三維地震載荷作用下大型儲罐的響應特點。地震載荷產(chǎn)生的介質水平慣性力與介質波動的沖擊力均能導致罐壁產(chǎn)生徑向變形，對于本文研究的儲罐尺