污油罐結構設計優化分析

王海龍

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

0 引 言

作為生產裝置的配套儲存設施的污油罐主要用于接收石油化工生產過程中產生的不合格油品，有利于經濟效益和社會效益的提升。但因其自身的結構強度問題，發生泄漏進而引發火災、爆炸的生產安全事故近年來也開始增多[1-3]，這些事故具有較大的隱蔽性，往往造成重大的經濟損失和人員傷亡，因此污油罐的結構強度問題應引起重視。

本文以渤海地區的某項目為例，采用通用有限元軟件ANSYS對污油罐進行應力分析、強度校核和優化設計。

1 有限元分析

1.1 有限元模型

污油罐內壁尺寸如表1所示：

表1 模型設計參數Tab.1 Design parameters

罐體幾何模型以及有限元模型如圖1所示：

圖1 罐體模型Fig.1 Model of slop oil tank

1.2 邊界條件

罐體各面承受液體壓力：p=ρgh+p′

上式中：p是計算壓力；ρ是液體密度；g是重力加速度；h是液面高度；p′是設計壓力。

罐體底撬限制罐體豎向位移，罐體其他部位為自由端，不施加任何約束。

1.3 結構單元的選取

以往工程項目采用 SHELL單元模擬加強筋，一方面存在建模工作量大，并且需要考慮加強筋與罐體表面連接處的共節點問題，建模條件受到限制；另一方面建模效率較低，特別是需要進行結構優化時，存在重復性的工作較多、耗時過長等弊端。而采用BEAM 單元模擬加強筋則能較好地解決相應問題，可重復性較好。

另一方面網格劃分亦即網格密度與形狀是影響有限元分析結果和求解規模的重要因素，在罐體內部的水平撐桿相交處使用SHELL單元產生的畸形網格會嚴重影響計算結果的準確性，由此帶來結構用料的增加[4]。采用 BEAM 單元替代 SHELL單元，能顯著提高單元的質量，如圖2所示，對應區域劃分后的單元全部為四邊形，局部應力由 529,MPa降為188,MPa，可見畸形單元對計算結果有重要的影響，會誤導計算人員對結果的判斷。

圖2 網格劃分質量Fig.2 Mesh quality

2 計算結果優化

本文以渤海地區某項目污油罐為對象，通過選取合適的單元類型進而控制單元網格的劃分，以操作工況與試驗工況進行分析，其結果滿足工程設計規范的要求。

2.1 正常操作工況

正常操作工況對應設計壓力，其計算結果如圖3所示：

圖3 罐體操作工況結果Fig.3 Operation condition result of slop oil tank

2.2 試驗工況

試驗工況對應試驗壓力，其計算結果如圖4所示：

圖4 罐體試驗工況結果Fig.4 Test condition result of slop oil tank

2.3 結構優化

表2列出了優化前后污油罐壁厚的變化，雖然壁厚減小了，但消除畸形單元后應力并沒有增大，滿足了安全性、經濟性的要求，達到了結構輕量化的優化設計目標。

表2 壁厚優化Tab.2 Optimization of thickness

3 結 論

本文采用通用有限元軟件 ANSYS對渤海地區某項目的污油罐進行了結構分析，罐體結構的模擬采用SHELL單元，而罐體加強筋采用BEAM單元，有限元網格劃分形狀規則，減小了罐壁的應力集中，污油罐的結構得到了優化，可供其他工程設計借鑒。