大型储罐的强度与刚度分析及设计方法研究

发布时间：2019-04-03 12:54

【摘要】：当今石油资源紧缺,油价波动频繁,致使各国十分重视石油资源的战略储备。大型储罐是目前石油大量存储的理想设备,其中立式圆筒形储罐是大型储罐当代最常见的结构形式,并已有近百年的使用历史。而由于立式圆筒形储罐结构的复杂性与载荷的多样性,目前基于规范的该种储罐的力学计算与结构设计仍有很多不足或不合理之处。本论文从强度、稳定性与抗震性能等角度对大型储罐的罐体与浮顶的力学性能与结构设计进行了深入研究,主要研究内容和得到的结论如下：(1)关于大型储罐罐壁的设计定点法和变点法是大型储罐罐壁设计的两种经典方法,此外,基于有限元分析的优化设计方法在大型储罐设计中的应用越来越广泛。本论文采用上述三种方法对容积为1×105m3与2×105m3的两台大型储罐进行设计,并对设计结果进行比较。结果表明,定点法与变点法并不能很好考虑罐底及下层罐壁对上层罐壁的影响,而基于有限元分析的优化设计是一种合理有效的设计方法。此外,本论文详细分析了容积为2×105m3的大型储罐罐体的基本变形形式与应力分布特点。大角焊缝区域存在结构突变,应力水平较高,最高应力出现在内侧大角焊缝下沿,即焊缝与底板联接位置。各层罐壁中第二层罐壁应力水平最高。(2)关于大型储罐罐体的稳定性抗风圈与加强圈用于保证罐体在风载荷作用下的刚度与稳定性。本论文介绍了我国标准GB50341与美国标准API650中抗风圈与加强圈的设计理念、设计方法与计算公式的推导过程。两标准在风载荷的环向分布与各部件间的相互加强两方面仍不完善。本论文建立了抗风圈与加强圈设计的三维流固耦合模型,在充分考虑各部件间相互作用的基础上,模拟并得到了合理的风载荷分布。通过该模型,本论文提出了基于最小钢材消耗量的抗风圈与加强圈的设计方法,并给出了抗风圈与加强圈最小截面模量与最大未加强罐壁高度的计算公式。在本文所考虑的储罐尺寸与载荷范围内,对于同一储罐,按该方法设计的抗风圈与加强圈钢材消耗量通常不超过按API650设计的抗风圈与加强圈钢材消耗量的35%。(3)关于大型储罐双盘浮顶的设计本论文介绍了大型储罐双盘浮顶的结构特点、常见的载荷与破坏形式。针对多种载荷共同作用可能出现载荷重新分布的现象,本论文以“雪载荷+泄露载荷”与“雨载荷+泄露载荷”两种工况为例,提出了各种工况中载荷的计算方法。对于浮顶的强度与稳定性分析,子模型法与等效结构替代法是两种常见方法,但这两种方法均需建立浮顶的整体模型,简化效果有限。本论文根据双盘浮顶的结构与载荷特点提出了最小区域分析法,并通过该方法得到了浮顶的极限载荷与临界载荷。该方法无需建立浮顶的整体模型,操作方便,能有效降低有限元模型的规模,提高计算效率,并能得到相对保守的结果。(4)关于大型储罐罐体的抗震由于大型储罐难以直接进行地震试验,本论文根据大型储罐的结构特点建立了其缩减结构,并对缩减结构进行地震试验和有限元分析。试验结果与有限元结果的比较证明了有限元模拟的有效性。通过有限元时程分析,本论文得到了三维地震载荷作用下大型储罐的响应特点。地震载荷产生的介质水平惯性力与介质波动的冲击力均能导致罐壁产生径向变形,对于本文研究的储罐尺寸与地震载荷而言,前者的作用远大于后者。此外,浮顶能够在很大程度上降低盛装介质的波动,但对罐壁径向位移的影响十分微弱。
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【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE972

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