大型石油儲(chǔ)罐抗風(fēng)性能研究

大型石油儲(chǔ)罐抗風(fēng)性能研究

大型油罐用于儲(chǔ)存原油和其他石油產(chǎn)品。它是原油和管道儲(chǔ)存系統(tǒng)的重要組成部分，也是中國(guó)國(guó)家原油戰(zhàn)略儲(chǔ)備庫(kù)項(xiàng)目中重要的環(huán)節(jié)。同時(shí)，大型油罐也關(guān)系到國(guó)家安全和生命財(cái)產(chǎn)安全。這是一種非常重要的承受裝置。如果發(fā)生損壞或傾斜，原油和其他廢棄物，將產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。由于石油儲(chǔ)罐的重要性,如何在石油儲(chǔ)罐的建造和使用中保證其安全和可靠,已經(jīng)成了目前國(guó)內(nèi)專家學(xué)者們研究的熱點(diǎn)[1~2]。目前有三種材料的油罐,分別以磚石,鋼以及鋼筋混凝土為材料。本文中主要研究鋼制立式油罐。立式結(jié)構(gòu)的油罐包括拱頂油罐和浮頂油罐,如圖1和圖2所示。1油罐失穩(wěn),會(huì)導(dǎo)致環(huán)境和生態(tài)污染原油儲(chǔ)罐的大型化發(fā)展趨勢(shì)以及它在我國(guó)的重要戰(zhàn)略地位決定了它必須具有非常良好的安全性能。隨著原油儲(chǔ)罐越大,其半徑與厚度之比增大,從而造成原油儲(chǔ)罐的剛性減小,抵抗風(fēng)載荷的能力下降。只有具有良好的安全性能以及防震防風(fēng)措施,才能使原油儲(chǔ)罐長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)揮它的儲(chǔ)備石油的作用;如果沒(méi)有良好的安全措施,則可能造成原油儲(chǔ)罐失穩(wěn),而一旦失穩(wěn),發(fā)生原油泄漏,不僅將造成非常大的經(jīng)濟(jì)損失,也會(huì)引起非常嚴(yán)重的環(huán)境和生態(tài)污染。造成油罐失穩(wěn)主要有三種原因,第一是地基沉降,眾所周知,對(duì)于任何建筑地基都是非常重要的一部分,一旦地基發(fā)生不均勻沉降,對(duì)于地上建筑的影響會(huì)非常巨大。第二是地震,地震對(duì)于油罐的影響也是非常重要的,一旦發(fā)生地震,如果油罐的結(jié)構(gòu)不夠牢固,則很容易發(fā)生失穩(wěn)或者傾覆。第三就是強(qiáng)風(fēng)對(duì)于油罐的影響,大自然中的風(fēng)都是陣風(fēng),是沿著一定頻率吹的;臺(tái)風(fēng)的風(fēng)力大小最高可以達(dá)到十七級(jí)(56.1-61.2m/s)。這樣的話既可能造成油罐被風(fēng)力所吹癟(靜態(tài)),產(chǎn)生屈曲或傾覆,也可能激起油罐的自振(動(dòng)態(tài)),從而造成破壞。關(guān)于油罐風(fēng)致屈曲的研究,國(guó)外學(xué)者專家研究的比較早,也比較全面;而國(guó)內(nèi)最近幾年才剛剛興起,關(guān)于罐體風(fēng)致屈曲的比較系統(tǒng)的研究目前還沒(méi)有,亟待突破。文章結(jié)合東部沿海地區(qū)的風(fēng)載特性,對(duì)一萬(wàn)立方米原油儲(chǔ)罐進(jìn)行了風(fēng)載作用下的穩(wěn)定性分析。2原油儲(chǔ)罐風(fēng)壓周向分布風(fēng)載荷是空氣流動(dòng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓力,所以也稱為風(fēng)的動(dòng)壓力。風(fēng)載荷的大小與基本風(fēng)壓、地形、地面粗糙指數(shù)、高度以及建筑形狀等等因素有關(guān)。由于我國(guó)本身獨(dú)有的氣候條件和地理位置,夏季東南沿海的臺(tái)風(fēng)比較多,內(nèi)陸地區(qū)則是雷暴和冰雹大風(fēng)比較多;冬委北部地區(qū)寒風(fēng)較多。由于臺(tái)風(fēng)造成的事故非常多,影響范圍大,所以在沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)往往是設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)的時(shí)候最主要的控制載荷。《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中規(guī)定了計(jì)算風(fēng)載荷的標(biāo)準(zhǔn)公式。計(jì)算主要承重結(jié)構(gòu)時(shí),某高度z下載荷強(qiáng)度應(yīng)如下計(jì)算:其中,wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2);μs為風(fēng)載體型系數(shù),和結(jié)構(gòu)的型式有關(guān);wk為風(fēng)壓高度變化系數(shù);βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù),對(duì)于高聳建筑(高寬比大于1.5)來(lái)說(shuō)需要考慮風(fēng)振的影響;基本風(fēng)壓(kN/m2)標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇的風(fēng)壓,但規(guī)定最低為0.3kN/m2。計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí):βgz為高度處的陣風(fēng)系數(shù)(考慮到瞬間風(fēng)比平均風(fēng)大而乘的系數(shù))。大型原油儲(chǔ)罐多采用鋼質(zhì)結(jié)構(gòu),圓柱形,是圍護(hù)結(jié)構(gòu),因此,采用上面的方法計(jì)算風(fēng)載荷的時(shí)候,需要考慮陣風(fēng)系數(shù),但是標(biāo)準(zhǔn)中的方法沒(méi)有考慮到風(fēng)壓在圓柱形周向分布的影響,而只是計(jì)算了其平均壓力。對(duì)于風(fēng)壓在周向的大小分布,一般用傅立葉系數(shù)表示:其中,p為風(fēng)載荷在某一周向展開(kāi)角的壓力;ci為風(fēng)壓系數(shù),屬于經(jīng)驗(yàn)值,一般由試驗(yàn)或者觀測(cè)得到;θ為風(fēng)壓沿著罐周分布的周向展開(kāi)角;λ為風(fēng)壓的高度變化細(xì)系數(shù)。1967年Rish定義了風(fēng)壓系數(shù):1986年,Gorenc定義了石油儲(chǔ)罐外壁的周向風(fēng)系數(shù):而到了1988年,Greiner又提出了一個(gè)新的風(fēng)壓系數(shù):而為了對(duì)柱形殼體的分析做一個(gè)進(jìn)一步的簡(jiǎn)化,Pircher建立了罐壁外側(cè)的周向風(fēng)壓系數(shù),如下所示:美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)(ACI-ASCE)也規(guī)定了ci的值;各位學(xué)者的研究結(jié)果比較如表1所示。為了更加清晰地表示各位學(xué)者的研究結(jié)果,從-180度到180度,每隔5度取一個(gè)點(diǎn),把以上五個(gè)風(fēng)壓周向分布的函數(shù)繪成圖線如圖3所示。通過(guò)對(duì)上圖進(jìn)行仔細(xì)分析,可以得到:圓柱筒體的周向風(fēng)壓五個(gè)分布函數(shù)都是關(guān)于Y軸對(duì)稱的。在周向展開(kāi)角0度角附近±30度范圍內(nèi)呈正值,其中在0度角時(shí)達(dá)到最大;即以儲(chǔ)罐向風(fēng)面為正面,儲(chǔ)罐在正面60度角范圍內(nèi)是受壓應(yīng)力的,在風(fēng)直吹的位置所受壓應(yīng)力最大,也最容易屈曲;而在儲(chǔ)罐的側(cè)面和背面,所受到的向外的吸應(yīng)力,在大約±80度的位置,吸應(yīng)力達(dá)到最大值。在背面120度范圍內(nèi),所受的吸應(yīng)力很小。在對(duì)五個(gè)函數(shù)的比較中可以發(fā)現(xiàn),Rish所創(chuàng)建的風(fēng)壓系數(shù)形成的函數(shù)中,壓應(yīng)力接近于最大值,吸應(yīng)力幅值比較小,壓力集中范圍大,用這個(gè)函數(shù)作為儲(chǔ)罐的所受風(fēng)壓來(lái)計(jì)算和模擬儲(chǔ)罐的風(fēng)致屈曲效應(yīng),所計(jì)算得到的結(jié)果也會(huì)相對(duì)保守一些?；谶@個(gè)原因,在計(jì)算靜態(tài)風(fēng)致屈曲響應(yīng)的時(shí)候,將會(huì)采用Rish定義的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓系數(shù)用于整個(gè)計(jì)算過(guò)程中。3結(jié)構(gòu)屈曲分析屈曲指的是結(jié)構(gòu)中的一種失效,具體表現(xiàn)為,當(dāng)結(jié)構(gòu)受到很高、且不小于它所能承受的極限壓應(yīng)力的力時(shí)會(huì)失效。這種失效常歸結(jié)于彈性不穩(wěn)定性。屈曲分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷,屈曲分析包括:線性屈曲和非線性屈曲分析。線性屈曲分析是以小位移小應(yīng)變的線彈性理論為基礎(chǔ)的,分析中不考慮結(jié)構(gòu)在受載變形過(guò)程中結(jié)構(gòu)構(gòu)形的變化,也就是在外力施加的各個(gè)階段,總是在結(jié)構(gòu)初始構(gòu)形上建立平衡方程。當(dāng)載荷達(dá)到某一臨界值時(shí),結(jié)構(gòu)構(gòu)形將突然跳到另一個(gè)隨遇的平衡狀態(tài),稱之為屈曲。臨界點(diǎn)前稱之為前屈曲,臨界點(diǎn)后稱之為后屈曲。與線性屈曲分析不同的是,非線性屈曲分析則需要考慮結(jié)構(gòu)在受載變形過(guò)程中的變化,具體來(lái)說(shuō),非線性屈曲分析可以看成是多個(gè)線性屈曲分析組成的,它的每一步載荷增量都是微小的,而且第一步都是相當(dāng)于在上一步的線性屈曲平衡狀態(tài)上增加一個(gè)微小載荷增量,求得新的線性屈曲平衡狀態(tài)。非線性屈曲分析主要包括幾何非線性失穩(wěn)分析,彈塑性失穩(wěn)分析和非線性后屈曲(Snap-through)分析。3.1風(fēng)致屈曲模型立式原油儲(chǔ)罐一般為圓筒薄壁型,體積容量較大。在建模的時(shí)候,可以把它簡(jiǎn)化成為一個(gè)具有一定厚度的圓柱殼體。本文所作的假設(shè)為:(1)不考慮流體的影響;(2)不考慮地基的影響;(3)不考慮浮項(xiàng)、抗風(fēng)圈的存在以及其他加強(qiáng)部件的影響。由于風(fēng)壓函數(shù)是對(duì)稱函數(shù),原油儲(chǔ)罐的簡(jiǎn)化模型也是對(duì)稱的,所以只需建立1/2的模型,這樣既減少計(jì)算時(shí)間,又不會(huì)影響最后的結(jié)果。此外,由于原油儲(chǔ)罐的高度相對(duì)于大氣層來(lái)說(shuō)很低,可以不考慮風(fēng)載荷的在高度上的變化分布。原油儲(chǔ)罐的原始參數(shù)為:半徑r=15.24m,高度h=12.91m,厚度t=8.92mm。這個(gè)尺寸選自于著名的LuisA.GODOY教授在計(jì)算原油儲(chǔ)罐風(fēng)致屈曲時(shí)所采用的模型參數(shù)。儲(chǔ)罐的材料假設(shè)為16MnR低合金鋼,密度為7850kg/m3,楊氏模量為2.06×1011,泊松比為0.3。建模時(shí),設(shè)定U1,U2,U3分別代表X,Y,Z方向的位移,UR1,UR2,UR3代表以X,Y,Z方向?yàn)檩S發(fā)生的旋轉(zhuǎn),同時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮邊界條件的設(shè)定?？紤]到只建立1/2的模型,在設(shè)定邊界條件時(shí),設(shè)備模型的豎向兩邊的U3,UR1,UR2為零,以避免它往斜向偏移,對(duì)結(jié)果造成影響。此外,由于不考慮地基的影響,假設(shè)地基是恒久固定的,即并于模型的底邊,設(shè)定U1,U2,U3為零,不允許它發(fā)生任何的位移。把Rish得出的風(fēng)壓系數(shù)作為參數(shù),得到基本風(fēng)壓函數(shù),再把儲(chǔ)罐的半徑代入,得到了分布在儲(chǔ)罐表面的風(fēng)載荷。3.2罐體上的有限元單元用S4R單元(四節(jié)點(diǎn)減縮單元)對(duì)本有限元模型進(jìn)行離散。減縮積分單元僅僅適用于劃分殼體的四邊形單元和劃分實(shí)體的六邊形單元,這些單元跟完全積分單元的不同是,它們?cè)诿恳粋€(gè)方向上都會(huì)少用一個(gè)積分點(diǎn),而二次減縮積分單元的積分點(diǎn)數(shù)量與線性完全積分單元相同。由于考慮到罐體上部所受變形會(huì)較大,先用Sweep(掃略網(wǎng)格劃分技術(shù))在模型上劃分,使模型全部由四邊形單元組成,然后再用MeshControls(網(wǎng)格控制),在罐體上部加密,設(shè)定罐體的最大網(wǎng)格是最小網(wǎng)格尺寸的3倍。劃分后的模型如圖4所示。3.3風(fēng)荷載作用下的臨界風(fēng)壓幅值經(jīng)過(guò)計(jì)算,該有限元模型在臨界屈曲狀態(tài)的位移云圖如圖5所示。從圖5可以看出,儲(chǔ)罐的臨界屈曲并非所設(shè)想的那樣,發(fā)生在零度角附近,而是發(fā)生在管壁的側(cè)面,臨界屈曲狀態(tài)時(shí)其最大位移為3.3mm。這是由于根據(jù)Rish的風(fēng)載荷系數(shù)公式,壓應(yīng)力在0度角時(shí)最大,其值為1,而拉應(yīng)力最大值是1.9,所對(duì)應(yīng)的是65度角。這也與上圖所顯示的臨界屈曲發(fā)生的位置是一樣的。取0度角頂端的一個(gè)節(jié)點(diǎn)(即罐中心位移最大的點(diǎn))作出其位移載荷曲線,如圖6所示。由位移載荷曲線可以看出,在風(fēng)載荷作用下,儲(chǔ)罐的平衡路徑是高度非線性的。起初,風(fēng)壓隨著位移的增大呈線性變化,但是線性范圍的區(qū)域很窄。當(dāng)儲(chǔ)罐達(dá)到風(fēng)致屈曲后,儲(chǔ)罐進(jìn)入后屈曲階段,隨著位移的不斷增大,屈曲路徑較為穩(wěn)定。這表明,后屈曲階段,儲(chǔ)罐的屈曲路徑非常不穩(wěn)定。確定儲(chǔ)罐在風(fēng)載荷作用下的臨界風(fēng)壓幅值,可以通過(guò)模型的LoadProportionalityFactor(載荷比例因子)曲線實(shí)現(xiàn),本模型的LPF曲線如圖7所示。由上圖可以看出,其比例因子為1.535,設(shè)置的初始比例風(fēng)壓值λ=1000Pa,故最終計(jì)算得到的臨界風(fēng)壓幅值λc=1.535kPa。根據(jù)壓力與風(fēng)速的公式可以得到臨界風(fēng)速為:對(duì)應(yīng)風(fēng)速表可知,十五級(jí)臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速范圍是46.2-50.9m/s,此時(shí)的風(fēng)速相當(dāng)于十五級(jí)臺(tái)風(fēng),在地球上并不是非常罕見(jiàn)的,比如,2011年6月舟山嵊泗地區(qū)的臺(tái)風(fēng)的最大風(fēng)力就達(dá)到了15級(jí);2012年臺(tái)風(fēng)“布拉萬(wàn)”的最大風(fēng)力就達(dá)到了17級(jí)。儲(chǔ)罐在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的作用下極容易發(fā)生風(fēng)致屈曲,需要作一些抗風(fēng)措施以保證其能經(jīng)受往惡劣天氣的影響。4包東南角鋼對(duì)罐內(nèi)臨界風(fēng)壓的影響由之前的計(jì)算結(jié)果可以得知,當(dāng)儲(chǔ)罐的徑厚比r/t恒為1700,而高徑比h/r大于或者等于0.8時(shí),就必須考慮臺(tái)風(fēng)的影響;而同樣的,當(dāng)儲(chǔ)罐的高徑比h/r恒為0.8,而徑厚比大于或者等于1500時(shí),也必須考慮臺(tái)風(fēng)的影響。為了防止儲(chǔ)罐被臺(tái)風(fēng)吹癟,在設(shè)計(jì)油罐的時(shí)候,會(huì)采用一系列的措施。一般油罐上部一定要包邊角鋼,這個(gè)可以起到一定的加強(qiáng)作用,以加強(qiáng)油罐的抗風(fēng)特性。我們?cè)谠械哪Ｐ突A(chǔ)上,加上包邊角鋼進(jìn)行模擬,并計(jì)算出來(lái)對(duì)應(yīng)的臨界載荷,以判斷抗風(fēng)的效果。包邊角鋼是油罐的一種特有結(jié)構(gòu),由鋼制成,一般焊接在油罐罐壁的最上端,對(duì)罐壁的起到加強(qiáng)作用。油罐的包邊角鋼一般是“L型”,如圖8所示。包邊角鋼一般與罐壁的內(nèi)緣焊在一起。假設(shè)其也為殼體來(lái)計(jì)算,并厚度設(shè)為1cm。經(jīng)過(guò)計(jì)算,得到在存在包邊角鋼的情況下,儲(chǔ)罐的臨界風(fēng)壓為2.918kPa,比沒(méi)有包邊角鋼的時(shí)候的臨界風(fēng)壓多了將近一倍,對(duì)應(yīng)的臨界風(fēng)速為68.33m/s,超出了17級(jí)臺(tái)風(fēng)的最大風(fēng)速。所以可以得到,加上包邊角鋼以后對(duì)儲(chǔ)罐的風(fēng)致屈曲特性有加強(qiáng)作用。屈曲模態(tài)分析:帶有包邊角鋼的儲(chǔ)罐模型在未達(dá)到臨界風(fēng)壓時(shí),其屈曲變形主要發(fā)生在罐的側(cè)面;當(dāng)達(dá)到臨界風(fēng)壓后,隨著周向風(fēng)壓的增加,較大變形逐漸集中于罐中心,其中最大變形