帶隔板立式儲罐的結構分析設計

蘇文獻，鄔曉敏

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

0 引言

立式儲罐是主要用于盛放常溫下飽和蒸汽壓較低液體（如石油、汽油等）的常壓容器，其設計準則常依據《鋼制焊接常壓容器》JB4735－1997，因設計公式簡單成熟，已在長期使用過程中得到了驗證。另外，其受力均勻，應力狀態以薄膜應力為主，加工用料也比同容量的其他儲罐少，故在石油化工、輕工、制藥等眾多領域有著廣泛使用［1］。但在實際工程應用中，由于生產工藝的需要，常要求儲存多種物料，為此，廠家往往須建造多個儲罐來滿足要求。但是，此類儲罐存貯的介質常是易燃易爆的危險介質，故相鄰儲罐間必須按照相關規定保持一定的防火間距并設防火堤和隔堤等相關防火裝置，防止儲罐發生泄漏時可燃液態物料外流導致火災蔓延。GB50074－2002［2］中規定當單罐容量小于1 000m3時，油罐間甲乙類油品防火間距為25m；GB50160－2008［3］中規定容量為500m3～1 000m3的可燃液化固定頂式儲罐的防火間距為25m～30m。因此，考慮到廠區布置、場地限制以及經濟成本等諸多因素，常會在儲罐內增設隔板來存貯不同物料，既可節約耗鋼量又減少占地面積，降低了投資費用［4］。

立式儲罐結構的分析通常基于小變形和小應變理論，但當儲罐內增設隔板后，因其直徑很大，其受壓后應變可能不大，但總位移較大，結構分析時要考慮到因大變形效應導致作用在儲罐的載荷方向與大小的改變。當隔板兩側等壓時，由于儲罐的厚徑比很小，使得隔板所受軸向力和拉應力都很小，雖仍對筒體產生了一些彎曲應力，但對強度影響較小。故對于隔板兩側都裝滿等高的同種物料的立式儲罐，一般不需要考慮其強度和剛度問題［5］。然而，在隔板一側裝滿液體而另一側全空的工況下，隔板就易于發生嚴重的失穩變形產生較大的位移，造成安全隱患。但因JB4735中并未涉及有關于帶隔板立式常壓容器結構的設計要求與內容，故無法應用理論公式來確保其安全與可靠性，所以對該類儲罐結構進行有限元分析計算很有必要。

本文將結合某立式儲油罐改造實例，綜合比較多種帶隔板立式儲罐結構，在上述危險工況下，應用有限元軟件ANSYS對儲罐進行應力分析設計。

1 分析實例

某廠家因生產工藝需要和場地限制等多種因素，想將已建的立式儲罐進行改造，用于盛放比重分別為0.85和0.83的物料，儲罐整體材料均為SS304L鋼材，儲罐額定裝載系數為0.85，設計壓力為2 000Pa，腐蝕余量為0；筒體半徑為4 000mm，壁厚為8mm，高度為8 500mm。要求在危險工況下，改造后的儲罐既安全又經濟。

廠家初步給出了以下幾種帶隔板立式儲罐形式（隔板為SS304L鋼材）：直隔板式、圓弧形隔板式、S型隔板式和罐中罐式，如圖1所示。

圖1 各種形式的帶隔板立式儲罐

（1）直隔板式：厚度8mm的平面直隔板。

（2）圓弧形式：曲率半徑為11 400mm、厚度為8mm的圓弧形隔板，并在其中心處設置豎直固定（材料SS304L）。

（3）S型式：由4個曲率半徑為1 025mm、厚度為8mm的半圓面組合而成。

（4）罐中罐式：直徑為Φ5 400mm×8mm的圓形隔板。

隔板和豎直固定管高度均為8 500mm。

1.1 儲罐材料參數的確定

儲罐材料為SS304L，其彈性模量E＝195×103MPa，泊松比μ＝0.3，許用應力Sm＝138MPa。

1.2 有限元模型

整個模型采用實體建模，用186實體單元進行網格劃分。在關鍵區域細化網格尺寸且在各部件的厚度方向劃分多層網格，確保計算結果的精確性。

1.3 載荷和邊界條件的確定

在危險工況下，用比重為0.85的物料來進行受力計算。在儲罐一側內表面施加由物料對其產生的梯度為8.35×10－6MPa/mm的分布載荷（罐中罐形式的梯度載荷施加于內外圓筒壁之間），且考慮罐內正壓對容器頂部的作用等效到儲罐筒體頂部橫截面所受的拉力，其大小為0.498MPa。根據實際情況，對儲罐底面設置全約束。

1.4 有限元計算結果

上述4種儲罐的有限元計算結果如表1所示。

表1 各種帶隔板立式儲罐的有限元分析結果

以上各結構的最大應力均出現在隔板上，顯然，直隔板式和圓弧形式無法滿足強度要求。按照JB4732－1995分別對S型和罐中罐式容器的最大應力區域進行評定。應力評定路徑上的薄膜應力為一次局部薄膜應力，其強度用1.5Sm進行限制；路徑上的彎曲應力屬二次應力，它與一次局部薄膜應力之和用3Sm限制［6］。兩個應力條件同時滿足才能保證容器不發生失效，應力評定結果如表2所示。

表2 應力評定結果

由表1和表2可知：圓弧形隔板受力情況比直隔板好，究其原因很大程度是由于圓弧板中心處豎直固定管的強化作用，提高了隔板自身剛度，使隔板上應力和位移得到很大程度的改善；S型隔板雖較圓弧形受力情況更好，但常需多個組合才行，這對加工成形、焊接及損傷探測等生產工藝要求較高，不利于加工制造［7］。

直隔板式受力情況雖不及圓弧形和S型，但考慮到再合理增設常用加強結構如加強圈、筋板等后，亦可使容器滿足安全要求，并且其加工難易程度優于圓弧形和S型。此外，雖然罐中罐形式的隔板受力情況良好，但其耗材量較大。最終從安全性、加工工藝和經濟性多方面考慮，擬采用直隔板式并對其進行適當結構強化，使其能滿足使用要求。

2 結構強化方案及其有限元分析

2.1 結構強化方案

結構1：隔板中心處增設一根豎直固定管，如圖2（a）所示。

結構2：隔板上均布3根中心距為2 000mm的豎直固定管，如圖2（b）所示。

結構3：隔板上均布5根中心距為1 600mm的豎直固定管，如圖2（c）所示。

圖2 直隔板強化結構示意圖

約束及其加載與之前一樣，在危險工況下各強化結構的有限元計算結果如表3所示。

表3 各強化結構的有限元分析結果

由表3可知：當在隔板中心增設豎直固定管后，有效地改善隔板的受力情況；當豎直固定管數量增至5根，雖最大應力和位移值較之前降低了很多，但仍超出限定值，安全性不滿足，故還須對結構3作進一步強化改進。

2.2 強化結構4

根據上述有限元分析結果，得知由于受梯度載荷作用，隔板組合件上端位移較大導致了下端產生了較大的彎曲應力，故對此提出了橫向加強的方案：用中心距為750mm的Φ219×8橫管（材料Q345R）進行橫向結構強化，用以加強隔板的剛度，減小應力集中，其有限元計算結果如圖3、圖4所示。

圖3 強化結構4有限元應力云圖

由圖3和圖4可知，應力主要集中于豎直固定管上下端部位，且以一次局部薄膜應力為主，數值稍大，而橫管上應力值較小。其應力評定結果如表4所示。

可見，作進一步改進之后，強化結構4滿足了強度要求。

圖4 強化結構4總位移云圖

表4 強化結構4應力評定結果

2.3 經濟和可行性比較

由于改進后的直隔板式儲罐與之前的罐中罐式均滿足強度要求，故對這2種結構的經濟性作大致的初步估算比較，如表5所示。

表5 兩種結構的經濟性初步比較

由表5可知，直隔板式材料成本較低，經濟性好。此外，在可行性方面，若使用罐中罐式，則其出料口需要穿過內外兩層圓筒壁，這將導致其受力狀態不如穿過單層的好，或將出料管從罐體底部引出，但這對于已建立式儲罐而言，其地基已夯實，也不可取。最終，廠家綜合考慮多種因素后，采納了直隔板式強化結構方案對其原有儲罐進行改造。

3 結語

對于帶隔板大直徑立式儲罐進行常規設計時，須考慮到在最大壓差作用下（即一側裝滿液體、另一側全空時）筒體和隔板發生變形的問題，雖可通過結構改進，保證容器的安全性，但若長期處于該工況下，仍會造成安全隱患。帶隔板立式儲罐應用領域非常廣泛，但缺少相關的設計準則，故本文綜合分析了多種帶隔板立式儲罐結構，比較各自優缺點，最終在直隔板的基礎上提出了一種安全經濟的加強結構，為直隔板儲罐的結構強化設計提供了參考。

［1］鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設備設計［M］.北京：化學工業出版社，2010.

［2］中國石化工程建設公司.GB50074.50074－2002－石油庫設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2012：9.

［3］中國石化集團洛陽石油化工工程公司.GB50160.50160－2008－石油化工企業設計防火規范［S］.北京：中國計劃出版社，2009：12－13.

［4］朱維波，劉飛鳴，林興華.帶隔板大直徑常壓容器的結構分析與實驗研究［J］.壓力容器，2003，20（3）：5－8.

［5］高炳軍，趙景利，王俊寶.兩側等壓時帶隔板圓形截面壓力容器應力分析［J］.石油化工設備，2000，29（6）：21－23.

［6］全國壓力容器標準化技術委員會.JB4732.4732－1995鋼制壓力容器分析設計標準［S］.北京：新華出版社，2007：18.

［7］盧熹料，王芳，陳云飛.有隔板常壓圓柱形容器的結構分析與設計［J］.機械強度，2004，26（4）：460－462.