基于组合圆柱壳理论的大型油罐应力分析

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摘要：随着油罐的大型化发展，其潜在的各种风险也越来越大，这种大型油罐一旦出现破裂隐患很容易造成企业生产的经济损失，甚至是引发社会安全事故。因此在工作中为了确保大型油罐的使用安全，对其静压强度以及地震响应要求进行深入总结与分析就显得格外重要。在目前的工作中，为了准确的获取大型石油储罐的壁板应力分布状况，提出一种新的网柱壳理论解析方法与技术是提高大型油罐安全性的可靠保证。本文就其应力分析进行探索以与分析，以满足工程误差精度要求，可为油罐的进一步大型化发展提供技术支持与指导。

关键词：油罐 应力分析 应力测试

在过去的社会发展中，我国石油消费量可达到3亿吨以上，而国内的原油产量仅仅为2亿吨，其中大约有1亿吨的原油需要仅进口来确保社会的正常发展。随着社会经济的高速发展，这种原油供需矛盾更是呈现出进一步扩大的趋势。因此在目前的企业发展中，建立战略石油储备库就显得格外重要，是刻不容缓的经济发展问题。目前我国一批先进的石油储备基地正在加速进行，随着社会生产技术的发展，这些储备措施和方式更是呈现出高速发展趋势。但是随之而来的安全隐患却成为目前人们研究的主要话题，一旦出现安全事故，即造成的危害则是相当可怕，因此对油罐安全进行研究与分析显得不容忽视。

一、大型油罐概述

大型油罐是一种旋转薄壳的结构，其存在着结构、荷载以及约束情况均能够满足轴对称的需求条件，各层壁板在设计的过程中也都是以轴对称荷载符合作用下的圆柱壳，且各层壁板在设计的过程中对于底板的连接处均需要采用弯矩力与相应的剪力来共同组成边缘关系。由于目前的大型油罐多属于外浮顶方式，因此在各层壁板的两端都应当设置一定的控制参数，并对其边缘利息进行控制。其中如果壁板宽度在2～3m范围内，那么将其可以称之为短圆柱壳，及在应用分析的过程中安全短圆柱壳法进行各层壁板应力的计算和控制。短圆柱壳法在进行计算的过程中其计算精度高，但计算的过程较为复杂，因此无发在工程中进行大量的推广和使用。

在目前的大型油罐类型分析中，其中多采用立式圆柱形钢制外浮顶储罐，即在制作的过程中油罐的浮顶直接放置在油面上，随着油品的收发而出现上下波动的趋势。这种结构在制作的过程中存在着结构应用简单，制作难度低，是国家现阶段战略石油储备库的主要设备形式。同时这类结构能够促使浮顶与灌内壁之间形成环形空间模式，使得浮顶上下的密封装置能够形成一套整体性的控制模式和流程。但是这类油储罐由于内部容易受到液压作用，自下而上液柱的静压力呈现出一种逐渐较小的趋势，因此在设计中需要遵循等强度设计理念，进而避免出现复杂的工艺流程和应力分布不均状况，造成严重的腐蚀现象与维护费用较高的隐患。

二、大型油罐的基本结构

立式圆柱形储液罐按罐顶型式可分为拱顶罐、外浮顶罐、内浮顶罐等，储存原油的大型储油罐一般采用外浮顶油罐以减少成本。大型储罐按照与地基连接型式的不同，可分为锚固罐和非锚固罐。储罐底部与地基刚性连接称为锚固储罐；直接摆放在地基上的，称为非锚固储液罐。液化天然气（LNG）储罐、液化石油气储罐等低温罐多为锚固罐。而大型原油储罐等常温低压罐，多为非锚固罐，直接搁置在地基上，以降低造价。小容积的储油罐，通常直接放在经平整夯实的地面上；大容积储油罐，为防止过度不均匀沉降，通常采用带混凝土圈梁的地基。大型油罐均指外浮顶式立式圆柱筒形钢制焊接油罐，直接搁置在地基上，属于非锚固罐。一般来说，这类罐的容积通常在10000m3以上，目前我国建成的最大油罐容积为15×104m3。这类储罐内部受液压作用，从下往上液压逐渐减小。遵循等强度设计理念，通常采用不等壁厚的圆柱形筒节焊接而成，从下往上数，第一圈壁板厚度最大，往上依次减薄。

三、大型储罐静强度有限元力分析

随着计算机技术及数值计算方法的发展，有限元作为一种有效的计算分析工具，越来越广泛她应用于工程领域。舀前许多人对油罐进行过有限元分析，在这些分析中有些是采用三维实休单元进行计算，有些则利用轴对称有限元法进行计算。

在油罐的有限元计算中，最关键的问题是如何处理油罐地基对油罐的支撑。在最初的计算中是考虑将底板固定，这在一些小型的锚固罐分析计算中是合理的；但对于非锚固罐，特别是地基带混凝土环梁的大型油罐，这类储罐罐底靠近罐壁区域有一部分会翘离地基，这时再采用底部全部固定的力学模型就不合理了。因此有人提出采用弹性孝于单元来模拟地基的弹性支撑，特别是利用ANSYS程序中提供的LINKl0双线性杆单元，利用其压弹性，来模拟地基只能受压不能受拉的特性。这种方法可以成功地模拟出罐底与地基的翘离，但因为需要对每根杆的特性进行设定，工作量很大，处理过程较复杂。

大型油罐底板与壁板相连的大角焊缝部位结构不连续、受力复杂，通常具有较高的峰值应力。有限元法是计算该部位应力的有效手段。目前许多计算中均是将底板和壁板作为没有间隙的整体进行模型分析，但实际上由于工艺等问题，罐壁和底板连接处并未完全焊透，存在一定的缝隙，将底板与壁板连成整体造型不一定合适，有可能影响大角焊缝处最大峰值应力的大小。也有的计算中人为地假设一个1mm高、1/2底圈壁板厚度的空隙进行计算，但这个缝隙的尺寸参数设定的比较随意，可能与实际不符。因此对于油罐大角焊缝处的应力计算还需要进一步的研究。

四、抗震分析与研究

对锚固罐进行研究都是假设罐底锚固于基础的前提下，研究内容涉及到储罐的固有振动特性，液体振动固有周期，水平及竖向地震载荷作用下储罐的地震响应等。

储液罐的抗震问题非常复杂，为研究这类问题，通常都需要进行一定的简化假设，人们在简化分析模型方面做了许多工作。影响深远的模型是1957年一删提出的质量一弹簧系统的模型，该模型假设液体无旋、不可压且流体质点位移为小量，将地震引起的作用在刚性壁上的动液效应分为脉冲分量和对流分量。脉冲分量与储罐运动引起的流体惯性有关，对流分量由流体振动引起，即储罐内晃动液体的动压效应。由于模型没有考虑罐壁的弹性变形与液体的耦联及储罐与地基的相互作用，按其理论设计的储罐在1964年阿拉斯加地震中遭到破坏，从而促使人们去研究液体和罐壁的耦联振动问题，即按弹性罐壁考虑。

目前锚固储罐研究得出的结论是：（1）罐体弹性变形使动液压力增大，液体晃动对罐体的动力响应有重要影响；（2）脉动压力与晃动压力之间耦合作用是弱的；（3）在相同幅值地震力作用下，水平振动比竖向振动更易使罐壁失稳。

五、结束语

中国正在建设战略石油储备库，需要建造大批石油储罐，单罐容积也趋于超大型化基于组合圆柱壳的解析方法可以准确而便捷地摸清超大型油罐的应力分布情况，以保证油罐的安全运行。