3000m³玻璃鋼儲罐有限元分析

陶保林　石竣夫　宋傳陽　何勇

摘要：使用有限元分析軟件ANSYS對某油田開發工程中所使用的3000m³玻璃鋼儲罐進行建模，建立了與儲罐罐頂、罐壁、加強筋、抗風圈實際尺寸一致的計算模型，重點分析了儲罐在設計內壓、罐內液壓、地震載荷、風載、雪載及集中載荷組合下的整體強度、剛度，并根據相應的標準對結構的安全性進行了評價，分析結果表明本玻璃鋼儲罐的設計是合理的，能夠滿足相應的力學和安全要求。

關鍵詞：玻璃鋼；儲罐；有限元分析

中圖分類號：TQ 052 文獻標識碼：A 文章編號：

1671-0460（2017）01-0098-04

玻璃鋼儲罐被廣泛應用于油氣田地面開發工程中，隨著玻璃鋼纏繞技術的問世，玻璃鋼儲罐得以向大型、大直徑儲罐方向發展，與傳統的金屬儲油罐相比，大直徑玻璃鋼儲罐具有耐腐蝕性能好、重量輕、保溫效果好、不生銹、內表面光滑、可設計性強、電絕緣性能好、可修復性強、使用壽命長等特點。但是由于玻璃鋼儲罐在石油以外的行業應用面還比較窄，目前國內對于玻璃鋼儲罐的有限元分析方面的研究還比較少，相關的文獻資料也不多。本文以某油田轉油站污水回注工程的3000³玻璃鋼立式拱頂儲罐為研究對象，對其進行了有限元結構計算及分析，計算的目的旨在校核儲罐設計的安全性和合理性，并根據結構剛度、強度和穩定性計算結果調整設計鋪層。

1 玻璃鋼儲罐的結構參數

3000m³玻璃鋼儲罐為立式拱頂儲罐，其內徑為21000mm，簡體高度為9000mm，罐頂曲率半徑為21630mm，罐頂殼與簡體的過渡曲率半徑為1000mm，其總體結構如圖1所示。

2 幾何建模和網格劃分

本次有限元計算時詳細結構參數為：儲罐的罐頂（圖2（a））、底板和罐體的內襯層厚度均為4mm，罐頂總厚度為26.7mm；罐頂上設有縱向加強筋和環向加強筋（圖2（b））；其中，縱筋共32條，環筋共6條。底板總厚度為28mm，罐體各部分的厚度（包括內襯層4mm個結構層）自上向下依次為34mm（標高6.0～9.0m），49mm（標高3.0～6.0m），64mm（標高0.3～3.0m），152mm（標高0.0～0.3m，包含60mm厚的樹脂砂漿層）。在4米和7米位置設置抗風圈（圖2（c））整體有限元模型如圖2（d）所示，計算模型中包含罐體（罐體中設備的重量等效到罐體上）、底板、罐頂底板支撐。模型中殼體采用SHELL181，罐頂加強筋采用BEAM188，底板支撐采用LINK10，罐體中設備采用MASS21。

3 材料性能

由于ANSYS材料庫中沒有玻璃鋼這種材質，因此有限元計算中結構的材料參數主要根據實驗值進行確定的，其值如表1所示。

4 載荷和邊界條件

在本次計算過程中所考慮到的載荷主要包括儲罐結構恒載、風載、雪載、儲存液位靜壓力及罐頂所承受的集中載荷。

4.1 結構恒載

根據設計要求及玻璃鋼廠家提供的數據，我們可知玻璃鋼材質密度為1800kg/m³；呼吸閥設備重量為570kg；阻火器設備重量為600kg；爬梯重量為1126kg；液壓安全閥為600kg；護欄重量為4035kg；儲存液體密度為1050kg/m³；罐頂集中載荷假設為4人同時在罐頂進行操作工作，每個人的體重均以113.4kg考慮，分布于封頭中央附近，結構恒載荷單元圖如圖3所示。

4.2 內液壓

儲罐內液壓按靜水壓力考慮，本儲罐的設計液位高度為8.4m，所儲存的液體密度為1050kg/m³，其分布情況如圖4所示。

4.3 風載荷及雪載荷

風載荷的作用方式以節點力的形式施加。雪荷載基本值按0.6kN/m²進行設計，其設計值為0.84kN/m²。儲罐有限元模型中的風荷載、雪荷載圖分別如圖5、圖6所示。

4.4 地震載荷

由于設計的地震烈度僅為7度，故地震荷載按水平加速度施加，大小為0.10g。此外，罐中液體，根據其質量（m'），折算等效質量，以質量點單元MASS21施加，等效質量m計算如式（1）：

m=F_rm' （1）式中：m-儲液等效質量，kg；

m'-儲液設計質量，kg；

F_r-動液位系數。

其中，動液系數F_r依據HG20696-1999玻璃鋼化工設備設計規定進行選取，因此F_r取為0.32。

5 計算結果分析

玻璃鋼儲罐在充滿儲液狀態下承受結構恒載（結構及附件自重）、設計內壓、罐頂負壓及罐內液壓、4人載荷、風載荷雪載、地震荷載作用下結構的強度、剛度計算結果如圖7、圖8、圖9所示。

玻璃鋼材料的強度判斷準則采用許應變準則及運行荷載作用下的強度安全系數大于10倍，風、雪荷載及地震荷載作用下的強度安全系數大于5倍的準則進行判斷。

由圖7可以看出玻璃鋼儲罐在徑向、環向、軸向最大應變為564×10^2-6，小于0.001。滿足文獻對玻璃鋼材質的許應變的要求，即正常工況下許應變ε<[ε]=0.1%=0.001，同時由圖8可以看出在該工況下的最大應力與強度的比值處在罐體底部區域，其最大值為0.081，由于1/0.081=1234>5，安全系數為12.34，滿足文獻對玻璃鋼材質的安全系數的要求。因此本玻璃鋼儲罐的強度滿足設計要求。

玻璃鋼材料的剛度采用位移與直徑之比進行確認，依據《ASMERTP-1-2015 Reinforced ThermosetPlastic Corrosion Resistant Equipment》標準的要求，玻璃鋼材料的位移與直徑之比應滿足：u/D<[u/D]=0.005。由圖9可以看出，玻璃鋼儲罐在最大位移發生在水平地震方向，變形值為4.96mm，則最大位移與直徑之比為：

因此玻璃鋼儲罐的結構滿足剛度設計要求。

6 結論

（1）運用有限元分析軟件ANSYS建立了新疆某油田地面開發工程中使用的3000m³玻璃鋼儲罐罐體、罐頂、底板、加強筋、抗風圈實際尺寸相一致的有限元結構模型，在充分考慮結構恒載、罐內液壓力、風載荷、地震載荷、雪載荷及集中載荷的組合條件下進行了應力分析及強度計算，從計算結果可以看出玻璃鋼儲罐的最大應變發生在儲罐的徑向，最大應變為564×104，遠小于設計規范要求中的小于0.001要求，最大應力與強度的比值發生在罐體底部區域，其最大值為0.081，安全系數為12.34，滿足設計規范中運行荷載作用下的強度安全系數為10倍的要求，最大位移發生在水平地震方向，變形值為4.96mm，最大位移與直徑只比為0.00024，滿足設計規范中小于0.005要求。通過以上計算機分析可以充分的證明本工程中所設計的玻璃鋼儲罐具有足夠的安全裕度及可靠性。

（2）通過相應的試驗研究可以證明，本次有限元分析的計算結果與試驗所測定的值基本上相符，有限元分析的方法可以較好的分析出玻璃鋼材質儲罐的剛度及強度，從而為此類材質儲罐的評價提供了較為便利的手段。