大型原油储罐的静力数值分析

建立了大型储罐的有限元模型,其静力问题采用空间有限元分析,地基用弹簧单元模拟,罐壁用壳单元模拟,液体用三维流体单元模拟.分析了储罐液位高度和地基模量对储罐应力的影响.分析结果表明,储罐液位越高,其根部和底板边缘区域内的环向应力、径向应力及轴向应力越大;地基模量对储罐外壁轴向应力和环向应力的影响主要集中在第一圈板的下部.对于15×104m3原油储罐,正锥和倒锥底板储罐的应力和变形相似.     

大型非锚固变壁厚外浮顶原油储罐的应力测试北大核心

大型原油储罐多为非锚固变壁厚结构,在液压作用下,地基沉降会引起底板边缘板翘曲及壁厚变化处的应力波动等复杂现象。为了研究大型储罐受载后各圈壁板、底板的应力大小及其分布规律,采用电阻应变测量技术对水压试验中10×10~4 m^3的外浮顶原油储罐(直径80 m、罐高21.8 m)进行现场应力测试,得到储罐底板及壁板的应力数据,分析储罐关键部位的应力水平、分布特征及其原因。结果表明:在最高液位下,储罐底板主要表现为径向弯曲应力;储罐壁板根部主要为轴向弯曲应力,随测点高度升高,罐壁在水压作用下发生膨胀变形,主要表现为环向薄膜应力。该研究结果为储罐运行的安全评定提供了参考依据。     

大型非锚固变壁厚外浮顶原油储罐的应力测试

大型原油储罐多为非锚固变壁厚结构,在液压作用下,地基沉降会引起底板边缘板翘曲及壁厚变化处的应力波动等复杂现象。为了研究大型储罐受载后各圈壁板、底板的应力大小及其分布规律,采用电阻应变测量技术对水压试验中10×10~4 m~3的外浮顶原油储罐(直径80 m、罐高21.8 m)进行现场应力测试,得到储罐底板及壁板的应力数据,分析储罐关键部位的应力水平、分布特征及其原因。结果表明:在最高液位下,储罐底板主要表现为径向弯曲应力;储罐壁板根部主要为轴向弯曲应力,随测点高度升高,罐壁在水压作用下发生膨胀变形,主要表现为环向薄膜应力。该研究结果为储罐运行的安全评定提供了参考依据。     

LNG储罐温度场计算及影响因素分析

为了准确计算LNG储罐在不同工况下的温度场,基于ANSYS软件建立了全容式LNG储罐温度场数值计算模型,计算了稳态工况下储罐罐体的温度场分布,进而根据计算结果,对不同环境温度、液位高度、对流换热系数对储罐温度场分布的影响规律进行分析。模拟结果表明:环境温度对罐壁漏热量影响较大,环境风速对罐顶漏热量影响较大,液位高度对罐壁和罐底的漏热量有一定影响,环境风速对储罐整体漏热量影响不大,该模拟结果对全容式LNG储罐的结构设计与优化具有参考意义。     

饱和黄土地基修建15×10~4 m~3超大型油罐现场充水试验

为检验工程设计的合理性和保证运行的安全性,针对饱和黄土地区首次修建的15×104 m3超大型非锚固油罐进行现场充水试验,通过在油罐罐壁和环墙基础钢筋表面粘贴应变计在油罐地基埋设沉降计,测试充水过程中的罐壁应力、环墙应力和基础沉降,分析罐壁应力、环墙应力,在基础沉降变形的发展规律。研究表明:充水到最高水位22.2 m时,距离罐底以上3.34 m处罐壁环向应力达到284.9 MPa,罐壁的环向应力随充水水位的增加基本呈线性关系。环墙内侧上部受到油罐传递的压应力,内壁整体受到环墙内垫层传递的压应力,环墙内侧1.0 m处环墙应力最大值为1 091 k Pa。油罐基础的沉降变形大部分为塑性变形,在充水试验结束后能较快趋于稳定,整个底板的沉降呈现碟形分布。研究结果可为超大型储罐在黄土地基的设计和建造中提供技术依据和设计参数验证。     

大型油罐基础沉降国内外评价标准对比

基础沉降对大型油罐的运行安全造成严重影响,特别是罐周不均匀沉降。以我国某油库在役储罐的实测沉降数据为基础,分别采用国内外储罐基础沉降控制标准SH／T3123-2001、SY／T5921-2011、API653-2009及EEMUA159—2003对其进行安全评价。建立储罐沉降的有限元计算模型,分析基础不均匀沉降对储罐强度的影响。对比有限元计算方法,评价国内外标准的差异性,结果表明：国内外地基沉降控制标准对储罐沉降的要求较保守,特别是我国标准SY／T5921-2011,比API653—2009和EEMUS159—2003对沉降量的要求更加严格。此外,目前国内外相关规范规定的储罐地基沉降指标不尽合理,沉降标准的制定应充分考虑储罐结构对地基变形的响应。（图11,表5,参12）     

10×10~4 m~3浮顶罐罐壁附近原油温度分布数值模拟

我国石油储备多采用10×104 m3浮顶罐,为了保证浮顶自由升降,必须掌握罐壁附近原油温度分布。为此,建立了双盘式浮顶罐在加热过程中的二维模型,应用计算流体力学软件Fluent,模拟18种工况下罐内原油流场及罐壁附近原油温度分布,分析储油高度和加热蒸汽量的影响,结果表明:原油在罐内的运动由尺度不同的涡旋组成,罐壁附近存在0.2 m厚度的热边界层。该研究深化了业内对储罐加热过程中传热传质的研究,对大型储罐安全经济运行具有重要的指导意义。     

储罐下碎石桩复合地基工作性状的数值分析

基于FLAC3D软件的弹塑性有限差分分析,提出了大型储罐下碎石桩复合地基空间变刚度调平设计方法,可使复合地基的不均匀沉降得到有效控制。同时,研究了垫层模量对碎石桩复合地基桩土应力比及桩体与桩周土间差异沉降的影响。研究表明,随垫层模量的增大,桩土应力比增大,而桩体与桩周土间的差异沉降减小。并揭示了碎石桩复合地基桩与桩间土竖向变形的相对关系:桩顶附近桩的沉降稍小于土的沉降,桩底附近桩的沉降稍大于土的沉降,桩体大部分范围内,桩、土等沉。     

大型LNG储罐罐壁隔热层保冷性能及其优化

为了提高大型LNG储罐罐壁隔热层的保冷性能,对其隔热层厚度进行优化。采用理论分析与数值计算相结合的方法,在不同隔热层厚度下,从储罐的保冷损失、蒸发率、外罐壁受力及变形情况3个方面来评价隔热层保冷性能,并对隔热层的厚度进行优选。结果表明:太阳辐射对储罐温度场影响较大,在进行LNG储罐保冷分析及相关设计时不可忽略;LNG储罐罐壁隔热层(主要指膨胀珍珠岩)厚度与保冷损失率呈反比,当膨胀珍珠岩达到一定厚度后,随厚度增加,保冷损失减小缓慢;随着隔热层厚度的变化,外罐壁的受力和变形较大,因此应该关注不同隔热层厚度对罐壁结构的影响。     

立式储罐静力分析的简化有限元模型

有效的有限元模型以及合理的网格划分是大型储罐局部缺陷应力分析的基础.为了在保持计算精度的同时降低大型储罐有限元计算的计算量,通过初步分析弹性地基接触模型计算的储罐沉降和变形,结合底板的应力分布和变形特点,将储罐底板翘离位置截面上的位移作为边界条件代替未翘离的底板和整个地基,进而得到简化的二维储罐模型,通过研究各方向网格...     

大型LNG储罐预应力筋张拉数值模拟与优化

大型液化天然气(LNG)储罐外罐负责抵抗内罐可能受到的外部冲击,并收集由于偶然原因从内罐渗漏的LNG,为了确保预应力混凝土外罐具有良好的气密性、液密性和强度,得到合理的预应力筋张拉方案,降低预应力筋张拉失败的风险,以某16×104 m3 LNG储罐为例,利用ANSYS软件建立外罐混凝土和预应力筋模型,分析4种不同预应力筋张拉方案混凝土外罐的应力及变形规律.数值模拟结果表明:当预应力筋张拉结束时,混凝土外罐在4种张拉方案下的最大变形量基本相同,最大变形出现在水平预应力筋张拉结束时,且以径向变形为主,方案三变形发展相对缓慢,在现场张拉施工作业中,为了避免引起外罐产生附加内力,建议先张拉竖向预应力筋再张拉水平预应力筋.     

大直径拱顶储罐网壳强度计算与结构改进

目前国内大型拱顶储罐的最大直径已达60m,其罐顶网壳强度校核多采用有限元计算软件。为计算简便,通常将网壳边界条件进行简化处理,忽略罐壁顶部变形对网壳结构的影响。对比介绍了各类单层球面网壳,总结了单层球面网壳基本设计原理,并以某设计院设计的拱顶罐为工程背景,采用有限元软件ANSYS建立拱顶网壳和罐壁一体的储罐模型。分别对拱顶储罐在静载、静载＋风载、静载＋均匀动载、静载＋均匀动载＋风载共4种载荷工况下罐顶网壳结构强度进行计算分析,并依据计算结果,提出将环板和肋板建于罐壁顶部的改进方案。对改进后的设计模型进行静载＋均匀动载和静载＋均匀动载＋风载这两种工况下的仿真计算,结果表明：改进后的拱顶储罐结构受力更合理,承载能力更强。（图17,表4,参]6）     

大直径立式锥底罐变壁厚锥底结构设计

针对目前没有立式锥底罐变壁厚锥底板设计公式和相关规范的现状,根据回转薄壁壳体的应力计算公式,基于无弯矩理论推导了锥底板在液压作用下的厚度设计公式。有限元数值计算结果表明,锥底罐在锥底与罐壁连接处(大角缝)应力集中程度比较严重。类比球罐设计用弧形母线回转薄壳代替原来的直线母线回转薄壳,并推导了其厚度计算公式。以3 200 m3立式锥底罐的设计为例,采用有限元软件ANSYS分别建立了两种锥底结构计算模型,并对计算结果进行对比分析。研究结果表明,弧形板锥底罐罐体应力值和变形量明显小于直板锥底罐,且大角缝处应力集中程度显著降低。此外,进行了不同长度弧形板锥底罐的数值计算,探寻了弧形板长度与应力和变形的关系。     

管输过程中罐底沉积物临界冲刷剥离条件的确定

含蜡原油在储罐内长时间储存会形成罐底沉积物,在管道输送过程中罐底沉积物的沉降会导致管道输量降低,严重时甚至会堵塞管道。通过数值模拟方法和室内环道试验探究了罐底沉积物在输送过程中的沉降及冲刷运移规律。模拟结果表明,悬浮在低流速油流中的罐底沉积物,由于油流携带能力较弱导致罐底沉积物易在管道底部堆积。室内环道冲刷试验结果表明,油流对沉降在管道底部的罐底沉积物的冲刷剥离在于油流冲刷应力与罐底沉积物抗剪切强度之间的相互制衡作用。进而基于室内试验结果建立了临界冲刷应力与沉积物抗剪切强度之间的计算关系式,该关系式预测结果得到了现场冲刷作业结果的验证,具有在原油管道罐底沉积物处理技术领域推广运用的价值。（图11,表3,参20）     

材料特性对大型油罐象足屈曲临界应力的影响

象足屈曲是大型油罐在地震载荷作用下的典型破坏方式。在国内外规范中,油罐抗震设计公式均基于薄壳的弹性稳定理论,而象足屈曲属于弹塑性屈曲,因此,有必要研究储罐材料特性对象足屈曲临界应力的影响。基于Ramberg-Osgood材料模型,提出大型油罐象足屈曲的临界应力计算公式,分析材料参数的屈强比、屈服强度以及罐壁环向应力对罐壁屈曲临界应力的影响。研究结果表明:大型油罐发生象足屈曲时,材料幂硬化指数与罐壁屈曲临界应力的关系受罐壁环向应力的影响,环向应力的增大能够有效降低储罐的屈曲临界应力,且屈曲临界应力随着屈强比的增大而降低。当环向应力与屈服强度之比一定时,材料屈服强度的增大能够适当提高罐壁屈曲临界压应力,但效果并不显著。     

埋地储罐设计与 FLAC3D 数值模拟

总结了目前国内常用的埋地储罐强度和稳定性设计方法,针对具体埋地储罐案例,进行了壁厚计算、稳定性校核和加强圈设置及尺寸确定。为验证理论设计的可靠性并准确掌握埋地储罐的变形及应力分布规律,借助ANSYS软件建立储罐及周围填土模型并导入FLAC3D,利用FLAC3D进行数值模拟;对比分析理论设计与数值模拟结果,得出结论：储罐理论设计是安全可靠的;设计过于保守,钢材强度利用率非常低;不设置加强圈的罐壁本身可满足稳定性要求,稳定性设计方法及公式偏于保守;无加强圈储罐,其封头强度及刚度均大于圆筒,应力和变形大小从两端封头到罐体中部递增,且二者在储罐整体上分布不均匀;有加强圈储罐,其应力及变形分布均较均匀,整体受力性能较好。（图7,参16）     

大型钢质浮顶原油罐内壁处理技术

分析了大型钢质浮顶原油储罐油气损耗的影响因素.针对浮顶与罐壁间密封效果差的问题,提出了通过涂层工艺处理来降低储罐内壁表面粗糙度的措施.实践证明,浮顶罐内壁涂层处理后表面摩擦系数大大降低,表面沾油量下降90%以上,发油损耗仅为处理前的3.1%,周转损耗可降低62.7%.     

大型油罐下节点三种计算方法的比较

对于大型油罐的下节点计算,目前有三种方法,即API(J.B.Denham)的刚性地基梁方法、中国科学院力学所方法和吴天云的弹性地基梁与刚性地基梁耦合法。对这三种计算方法进行了分析,认为第3种方法适用于边缘板有足够宽度或边缘板与中幅板对接焊接情况。用本计算方法和秦皇岛10×1O~4m~3浮顶油罐的实测结果进行了比较,其理论计算结果与实测结果吻合很好,而前两种计算方法的误差都较明显。得出的结论是:①适当增大罐底边缘板伸出罐壁外表面的宽度,以减小罐底边缘板所承受的弯曲应力;②边缘板和中幅板应对接焊接,以减小边缘板的最大应力;③在下节点的计算方法中,应对罐壁变形给予考虑。     

储罐温度分布对计量精度的影响北大核心

针对储罐温度分布影响计量精度而导致计量误差的问题,基于对罐内油品与外界环境传热过程的分析,建立了考虑环境温度、油品物性、罐内油品自然对流及太阳辐射等因素影响的储罐温降模型。以某储备库1#浮顶罐为例,采用Fluent软件对储罐温降模型进行模拟,并将计算温度与实测温度进行对比。进而总结得出油孔纵向平均油温与罐内总体平均油温温差变化的规律:在相同外界条件下,液位越低,温降速率越大;液位越高,存储时间越长,量油孔处的平均油温偏离总体平均油温越大。通过不同工况下的实例计算,量化分析了上述误差的大概范围和变化趋势,对油库的计量盘点具有一定的参考价值。     

储罐温度分布对计量精度的影响

针对储罐温度分布影响计量精度而导致计量误差的问题,基于对罐内油品与外界环境传热过程的分析,建立了考虑环境温度、油品物性、罐内油品自然对流及太阳辐射等因素影响的储罐温降模型。以某储备库1#浮顶罐为例,采用Fluent软件对储罐温降模型进行模拟,并将计算温度与实测温度进行对比。进而总结得出油孔纵向平均油温与罐内总体平均油温温差变化的规律:在相同外界条件下,液位越低,温降速率越大;液位越高,存储时间越长,量油孔处的平均油温偏离总体平均油温越大。通过不同工况下的实例计算,量化分析了上述误差的大概范围和变化趋势,对油库的计量盘点具有一定的参考价值。