大型石油储罐抗风性能研究

大型石油储罐抗风性能研究

大型油罐用于储存原油和其他石油产品。它是原油和管道储存系统的重要组成部分，也是中国国家原油战略储备库项目中重要的环节。同时，大型油罐也关系到国家安全和生命财产安全。这是一种非常重要的承受装置。如果发生损坏或倾斜，原油和其他废弃物，将产生非常严重的影响。由于石油储罐的重要性,如何在石油储罐的建造和使用中保证其安全和可靠,已经成了目前国内专家学者们研究的热点[1~2]。目前有三种材料的油罐,分别以砖石,钢以及钢筋混凝土为材料。本文中主要研究钢制立式油罐。立式结构的油罐包括拱顶油罐和浮顶油罐,如图1和图2所示。1油罐失稳,会导致环境和生态污染原油储罐的大型化发展趋势以及它在我国的重要战略地位决定了它必须具有非常良好的安全性能。随着原油储罐越大,其半径与厚度之比增大,从而造成原油储罐的刚性减小,抵抗风载荷的能力下降。只有具有良好的安全性能以及防震防风措施,才能使原油储罐长期稳定发挥它的储备石油的作用;如果没有良好的安全措施,则可能造成原油储罐失稳,而一旦失稳,发生原油泄漏,不仅将造成非常大的经济损失,也会引起非常严重的环境和生态污染。造成油罐失稳主要有三种原因,第一是地基沉降,众所周知,对于任何建筑地基都是非常重要的一部分,一旦地基发生不均匀沉降,对于地上建筑的影响会非常巨大。第二是地震,地震对于油罐的影响也是非常重要的,一旦发生地震,如果油罐的结构不够牢固,则很容易发生失稳或者倾覆。第三就是强风对于油罐的影响,大自然中的风都是阵风,是沿着一定频率吹的;台风的风力大小最高可以达到十七级(56.1-61.2m/s)。这样的话既可能造成油罐被风力所吹瘪(静态),产生屈曲或倾覆,也可能激起油罐的自振(动态),从而造成破坏。关于油罐风致屈曲的研究,国外学者专家研究的比较早,也比较全面;而国内最近几年才刚刚兴起,关于罐体风致屈曲的比较系统的研究目前还没有,亟待突破。文章结合东部沿海地区的风载特性,对一万立方米原油储罐进行了风载作用下的稳定性分析。2原油储罐风压周向分布风载荷是空气流动对工程结构所产生的压力,所以也称为风的动压力。风载荷的大小与基本风压、地形、地面粗糙指数、高度以及建筑形状等等因素有关。由于我国本身独有的气候条件和地理位置,夏季东南沿海的台风比较多,内陆地区则是雷暴和冰雹大风比较多;冬委北部地区寒风较多。由于台风造成的事故非常多,影响范围大,所以在沿海地区台风往往是设计工程结构的时候最主要的控制载荷。《建筑结构荷载规范》中规定了计算风载荷的标准公式。计算主要承重结构时,某高度z下载荷强度应如下计算:其中,wk为风荷载标准值(kN/m2);μs为风载体型系数,和结构的型式有关;wk为风压高度变化系数;βz为高度z处的风振系数,对于高耸建筑(高宽比大于1.5)来说需要考虑风振的影响;基本风压(kN/m2)标准为50年一遇的风压,但规定最低为0.3kN/m2。计算围护结构时:βgz为高度处的阵风系数(考虑到瞬间风比平均风大而乘的系数)。大型原油储罐多采用钢质结构,圆柱形,是围护结构,因此,采用上面的方法计算风载荷的时候,需要考虑阵风系数,但是标准中的方法没有考虑到风压在圆柱形周向分布的影响,而只是计算了其平均压力。对于风压在周向的大小分布,一般用傅立叶系数表示:其中,p为风载荷在某一周向展开角的压力;ci为风压系数,属于经验值,一般由试验或者观测得到;θ为风压沿着罐周分布的周向展开角;λ为风压的高度变化细系数。1967年Rish定义了风压系数:1986年,Gorenc定义了石油储罐外壁的周向风系数:而到了1988年,Greiner又提出了一个新的风压系数:而为了对柱形壳体的分析做一个进一步的简化,Pircher建立了罐壁外侧的周向风压系数,如下所示:美国土木工程师协会(ACI-ASCE)也规定了ci的值;各位学者的研究结果比较如表1所示。为了更加清晰地表示各位学者的研究结果,从-180度到180度,每隔5度取一个点,把以上五个风压周向分布的函数绘成图线如图3所示。通过对上图进行仔细分析,可以得到:圆柱筒体的周向风压五个分布函数都是关于Y轴对称的。在周向展开角0度角附近±30度范围内呈正值,其中在0度角时达到最大;即以储罐向风面为正面,储罐在正面60度角范围内是受压应力的,在风直吹的位置所受压应力最大,也最容易屈曲;而在储罐的侧面和背面,所受到的向外的吸应力,在大约±80度的位置,吸应力达到最大值。在背面120度范围内,所受的吸应力很小。在对五个函数的比较中可以发现,Rish所创建的风压系数形成的函数中,压应力接近于最大值,吸应力幅值比较小,压力集中范围大,用这个函数作为储罐的所受风压来计算和模拟储罐的风致屈曲效应,所计算得到的结果也会相对保守一些。基于这个原因,在计算静态风致屈曲响应的时候,将会采用Rish定义的标准风压系数用于整个计算过程中。3结构屈曲分析屈曲指的是结构中的一种失效,具体表现为,当结构受到很高、且不小于它所能承受的极限压应力的力时会失效。这种失效常归结于弹性不稳定性。屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷,屈曲分析包括:线性屈曲和非线性屈曲分析。线性屈曲分析是以小位移小应变的线弹性理论为基础的,分析中不考虑结构在受载变形过程中结构构形的变化,也就是在外力施加的各个阶段,总是在结构初始构形上建立平衡方程。当载荷达到某一临界值时,结构构形将突然跳到另一个随遇的平衡状态,称之为屈曲。临界点前称之为前屈曲,临界点后称之为后屈曲。与线性屈曲分析不同的是,非线性屈曲分析则需要考虑结构在受载变形过程中的变化,具体来说,非线性屈曲分析可以看成是多个线性屈曲分析组成的,它的每一步载荷增量都是微小的,而且第一步都是相当于在上一步的线性屈曲平衡状态上增加一个微小载荷增量,求得新的线性屈曲平衡状态。非线性屈曲分析主要包括几何非线性失稳分析,弹塑性失稳分析和非线性后屈曲(Snap-through)分析。3.1风致屈曲模型立式原油储罐一般为圆筒薄壁型,体积容量较大。在建模的时候,可以把它简化成为一个具有一定厚度的圆柱壳体。本文所作的假设为:(1)不考虑流体的影响;(2)不考虑地基的影响;(3)不考虑浮项、抗风圈的存在以及其他加强部件的影响。由于风压函数是对称函数,原油储罐的简化模型也是对称的,所以只需建立1/2的模型,这样既减少计算时间,又不会影响最后的结果。此外,由于原油储罐的高度相对于大气层来说很低,可以不考虑风载荷的在高度上的变化分布。原油储罐的原始参数为:半径r=15.24m,高度h=12.91m,厚度t=8.92mm。这个尺寸选自于著名的LuisA.GODOY教授在计算原油储罐风致屈曲时所采用的模型参数。储罐的材料假设为16MnR低合金钢,密度为7850kg/m3,杨氏模量为2.06×1011,泊松比为0.3。建模时,设定U1,U2,U3分别代表X,Y,Z方向的位移,UR1,UR2,UR3代表以X,Y,Z方向为轴发生的旋转,同时应当考虑边界条件的设定。考虑到只建立1/2的模型,在设定边界条件时,设备模型的竖向两边的U3,UR1,UR2为零,以避免它往斜向偏移,对结果造成影响。此外,由于不考虑地基的影响,假设地基是恒久固定的,即并于模型的底边,设定U1,U2,U3为零,不允许它发生任何的位移。把Rish得出的风压系数作为参数,得到基本风压函数,再把储罐的半径代入,得到了分布在储罐表面的风载荷。3.2罐体上的有限元单元用S4R单元(四节点减缩单元)对本有限元模型进行离散。减缩积分单元仅仅适用于划分壳体的四边形单元和划分实体的六边形单元,这些单元跟完全积分单元的不同是,它们在每一个方向上都会少用一个积分点,而二次减缩积分单元的积分点数量与线性完全积分单元相同。由于考虑到罐体上部所受变形会较大,先用Sweep(扫略网格划分技术)在模型上划分,使模型全部由四边形单元组成,然后再用MeshControls(网格控制),在罐体上部加密,设定罐体的最大网格是最小网格尺寸的3倍。划分后的模型如图4所示。3.3风荷载作用下的临界风压幅值经过计算,该有限元模型在临界屈曲状态的位移云图如图5所示。从图5可以看出,储罐的临界屈曲并非所设想的那样,发生在零度角附近,而是发生在管壁的侧面,临界屈曲状态时其最大位移为3.3mm。这是由于根据Rish的风载荷系数公式,压应力在0度角时最大,其值为1,而拉应力最大值是1.9,所对应的是65度角。这也与上图所显示的临界屈曲发生的位置是一样的。取0度角顶端的一个节点(即罐中心位移最大的点)作出其位移载荷曲线,如图6所示。由位移载荷曲线可以看出,在风载荷作用下,储罐的平衡路径是高度非线性的。起初,风压随着位移的增大呈线性变化,但是线性范围的区域很窄。当储罐达到风致屈曲后,储罐进入后屈曲阶段,随着位移的不断增大,屈曲路径较为稳定。这表明,后屈曲阶段,储罐的屈曲路径非常不稳定。确定储罐在风载荷作用下的临界风压幅值,可以通过模型的LoadProportionalityFactor(载荷比例因子)曲线实现,本模型的LPF曲线如图7所示。由上图可以看出,其比例因子为1.535,设置的初始比例风压值λ=1000Pa,故最终计算得到的临界风压幅值λc=1.535kPa。根据压力与风速的公式可以得到临界风速为:对应风速表可知,十五级台风的风速范围是46.2-50.9m/s,此时的风速相当于十五级台风,在地球上并不是非常罕见的,比如,2011年6月舟山嵊泗地区的台风的最大风力就达到了15级;2012年台风“布拉万”的最大风力就达到了17级。储罐在强台风的作用下极容易发生风致屈曲,需要作一些抗风措施以保证其能经受往恶劣天气的影响。4包东南角钢对罐内临界风压的影响由之前的计算结果可以得知,当储罐的径厚比r/t恒为1700,而高径比h/r大于或者等于0.8时,就必须考虑台风的影响;而同样的,当储罐的高径比h/r恒为0.8,而径厚比大于或者等于1500时,也必须考虑台风的影响。为了防止储罐被台风吹瘪,在设计油罐的时候,会采用一系列的措施。一般油罐上部一定要包边角钢,这个可以起到一定的加强作用,以加强油罐的抗风特性。我们在原有的模型基础上,加上包边角钢进行模拟,并计算出来对应的临界载荷,以判断抗风的效果。包边角钢是油罐的一种特有结构,由钢制成,一般焊接在油罐罐壁的最上端,对罐壁的起到加强作用。油罐的包边角钢一般是“L型”,如图8所示。包边角钢一般与罐壁的内缘焊在一起。假设其也为壳体来计算,并厚度设为1cm。经过计算,得到在存在包边角钢的情况下,储罐的临界风压为2.918kPa,比没有包边角钢的时候的临界风压多了将近一倍,对应的临界风速为68.33m/s,超出了17级台风的最大风速。所以可以得到,加上包边角钢以后对储罐的风致屈曲特性有加强作用。屈曲模态分析:带有包边角钢的储罐模型在未达到临界风压时,其屈曲变形主要发生在罐的侧面;当达到临界风压后,随着周向风压的增加,较大变形逐渐集中于罐中心,其中最大变形