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风压设计论文:储罐的风压设计与估算

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作者:李玉坤孙文红梁军会单位:中国石油大学(华东)工程力学系中油管道投产运行公司

需要说明的是:BS_EN14015规定,当储罐的直径D>60m时,仍按60m计算抗风圈的最小截面模量;API650规定,对于直径超过60m的储罐,经买方和制造厂同意,可以适当减小截面模量,但不得小于直径为60m储罐所要求的值。

加强圈的设计计算

对于加强圈的设计,各设计标准均有详细规定。关于加强圈的截面模量,GB50341、SH3046和BS_EN14015相同,均基于刚性理论;API650和JIS_B8501相近,基于强度理论(与抗风圈截面模量计算相同)。对于加强圈数量的确定,各标准均基于薄壁短圆筒的临界压力计算公式,只在如何将阶梯形壁厚转化成一个适当的厚度进行运算的方法上有所差异。实际计算时,GB50341、SH3046和BS_EN14015均运用“当量筒体”进行计算,最后换算为实际高度;API650和JIS_B8501均需试算,最后也是换算为实际高度。在JIS_B8501和API650中,分别给出了加强圈最小截面模量的计算公式:式中:H1为加强圈与罐壁包边角钢或敞口储罐顶部抗风圈间的垂直距离,m;t1为顶层壁板的厚度,mm。两公式基本相同,只是后者设计风速取160km/h。

在GB50341、SH3046和BS_EN14015中,对加强圈的最小截面尺寸均有规定,但对尺寸大小的规定不完全相同(表1)。中国科学院力学研究所关于“弹性支承圆柱壳体的侧压屈曲”的研究结果表明:当加强圈的惯性矩接近100(D为储罐内径,m;t为罐壁厚度,mm)时,加强圈已趋近于刚性支承,若再加大其惯性矩,对提高罐壁的临界压力作用不大。

浮顶储罐抗风圈截面模量公式推导基本假设

:①假定作用于储罐外壁迎风面的风压按正弦曲线分布,风压分布范围所对应的抗风圈区段为两端铰支的圆拱(图1),其对应的圆心角θ为60°;②储罐上半部罐壁承受的风载荷由抗风圈承担。为满足强度要求,抗风圈所需的最小截面模量Wzk按下式计算:考虑到载荷性质属于非经常性的最不利情况,而且应力是弯曲应力,故取[σ]=0.9σs,对于Q235钢材而言,[σ]≈21000N/cm2;Mmax为圆拱的跨中弯矩,N•cm,Mmax=p0R2/;θ为圆拱对应的圆心角,θ=60°;p0为罐壁驻点线上单位弧长的风载荷,N/cm,由风洞试验得p0=0.32p1H;p1为设计风压,N/cm2,p1=μsμhW0,其中μs=1.5,μh=1.5(取距离地面15m高处的值),基本风压值W0取0.7kPa。将以上数据代入式(10),即得抗风圈所需的最小截面模量的计算公式:若建罐地区的基本风压大于0.7kPa(少数沿海地区),应将上述结果再乘以W0/0.7,即:按照该方法推导出的抗风圈所需最小截面模量公式(12)与式(2)一致,但在式(1)中W0为Wk。由式(1)、式(3)可以分别求出按照GB50341和API650设计标准下抗风圈所需的最小截面模量,根据截面模量总和应小于所需最小截面模量的原则,计算结果分别为:GB50341需要3个抗风圈和2个加强圈,API650需要2个抗风圈和4个加强圈。

有限元数值计算

1有限元模型

利用大型有限元软件ANSYS建立了20×104m3储罐的三维模型(图2),罐壁和罐底全部采用shell63单元,且罐壁单元均为4节点矩形单元;抗风圈和加强圈简化成梁,采用beam188单元进行有限元计算。储罐共划分7400个单元。分别在储罐的内外壁施加风压载荷:①外壁的风压分布。对于外浮顶罐,在实验风压为W0时,外壁风压分布是不均匀的(图3)。只有迎风面60°中心角对应的罐壁是受压区,其余罐壁承受的是张力。最大风压是在20°所对弧长上,风压近似为常数,最大风压发生在驻点A,其值等于风压值W0。②内壁的风压分布。由于风吹过时,引起外浮顶储罐迎风面内壁产生抽力,故迎风面罐内壁是负压,风洞试验表明最大负压为0.5W0,位于驻点内侧,其余部分的负压值与驻点处相近。罐壁各个部分所受的风荷载,可根据式(6)计算得出。与风压相比,油压计算较为简单,采用保守算法,用水压来代替油压,直接运用函数Ws=γH(γ为水的密度)将各处的油压加载到储罐罐壁和罐底。

2有限元数值分析

罐体承受载荷主要分为油压、风压和自重3部分,在不同工况下,进行储罐的强度和稳定性计算分析。

2.1强度计算

(1)20×104m3储罐空罐时受风压作用下的应力计算模型:根据储罐在风压作用下的第三强度理论应力云图(图4a),最大应力值为24.5MPa,远小于材料的许用应力值,因此储罐只在风压作用下满足强度要求,不会发生强度破坏;根据储罐和加强圈、抗风圈的位移云图及罐口处变形情况(图4b、图4c),驻点处有最大位移,其值为9.042mm,相对于储罐的直径110m而言,变形很小;根据驻点处以及与风向成90°方向罐壁沿高度方向的位移曲线(图5a、图5b,Ux、Uy为罐壁在x、y方向的径向位移),有抗风圈和加强圈部位的罐壁的径向位移均明显减小。

(2)20×104m3储罐同时受风压和油压作用下的应力计算模型:根据罐壁、抗风圈以及加强圈的应力与变形的情况(图6),最大应力为311MPa,作用位置在-90°方向大角缝处,此处罐壁材料为SPV490Q,许用应力为261MPa(依据API650、SH3046),最大应力为峰值应力,小于许用应力的3倍,因此储罐同时承受油压和风压情况下,罐壁也是满足强度要求的;根据驻点处以及与风向成90°方向的罐壁沿罐壁高度方向的位移曲线(图7),罐壁的最大位移为85.245mm,变形比空罐情况下更小。

2.2稳定性分析

罐壁的外压失稳在一定范围内是完全弹性的。当外压保持在略低于临界压力时,模型不会出现屈曲,一旦增压至临界压力,立即发生凹瘪,若将外压减小到临界压力以下,壳面上的屈曲波形会立即恢复原形而不留痕迹。但是若罐壁制造时存在椭圆度或局部凹瘪,则这些部位在风压下会提前失稳并难以复原。根据API650和GB50341的抗风设计稳定性分析结果(图8),在空罐时的极限风压值为980Pa,超出设计风压值25.45%;按照GB50341设计的3个抗风圈、2个加强圈的储罐(图2)所能承受的极限风压值为913.737Pa,超出抗风圈、加强圈的设计风压值17%。通过对比可知,两种设计结构均能满足罐壁的稳定性要求,但API650比GB50341设计的抗风圈、加强圈稳定性更好,且前者更节省材料。

结论与建议

国内外大型储罐设计标准中关于抗风圈和加强圈最小截面模量的计算公式及具体要求对比结果表明:我国现行规范较其他国家的规范保守,设计的截面尺寸偏大;通过推导抗风圈最小截面模量计算公式,建议将GB50341中抗风圈最小截面模量计算公式(1)中的Wk改为W0。通过对某大型储罐的有限元数值计算分析,API650和GB50341设计的抗风圈、加强圈强度和稳定性均满足设计要求;但按照API650进行的设计不仅稳定性更好,且节省材料,因此,建议采用API650作为大型储罐抗风设计的标准。

根据相关调研和研究结果,目前储罐抗风设计多依据经验,实验和理论研究支撑不足,又由于储罐的设计风压是按30年一遇的极限情况取值,很难验证目前储罐抗风圈、加强圈设计的合理性。因此,以上结论亟需现场试验数据的进一步佐证。

风压设计论文:储罐的风压设计与估算责任编辑:陈老师    阅读:人次