8万m_3低温储罐应力分析

２０ ０８８
边缘板
３００
图 １ 内罐结构示意 表 ２ 内罐材料及几何参数
发泡混凝土环
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部位
丙烯罐（ Ｔ１０２） 材料 几何尺寸 ／ｍｍ
乙烯罐（ Ｔ１０１） 材料 几何尺寸 ／ｍｍ
底 边缘板 Ａ５３７ ＣＬ１
板 中幅板
ｔ＝１０ ｔ＝６．３５
Ａ５５３ ＴＹＰＥ １
ｔ＝１１ ｔ＝６．３５
第 １ 圈壁板
ｔ＝２９．１， ｂ＝２ ５１１
水压试验
充水至 １９．３６５ ｍ
充水至 １３．７７ ｍ
最大工作载荷 液态丙烯充至 １９．３６５ ｍ 液态乙烯充至 １９．３６５ ｍ
２．２ 有限元模型 立式圆柱筒形储罐属典型的轴对称问题， 因此
用 轴 对 称 单 元 模 拟 储 罐 及 地 基 。 采 用 ＡＮＳＹＳ１０．０ 有限元分析软件进行计算， 选用 ８ 节点轴对称等参 单元 ｐｌａｎｅ８２。
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第 ３３ 卷第 ５ 期
石油工程建设
１３
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８ 万 ｍ３ 低温储罐应力分析
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沈建民 １， 竺国荣 １， 陈松生 １， 陈志平 ２
表 ３ 三种材料的强度及许用应力
材料
抗拉强度 屈服强度 设计许用应力 试验许用应力
σｂ ／ＭＰａ σｓ ／ＭＰａ ［σ］ ／ＭＰａ
［σ］ｔ ／ＭＰａ
Ａ５３７ ＣＬ１
４８２．７
３４４．８
１４４．８
２６５．５
Ａ５５３ ＴＹＰＥ １ ６８９．５
５８６．１
２２９．８
３７９．２
Ａ３５３
６８９．５
５１７．１
２２９．８
丙 烯 罐 内 罐 主 体 材 料 为 ＡＳＴＭ Ａ５３７ ＣＬ１； 乙 烯罐内罐主体材料为 ＡＳＴＭ Ａ５５３ ＴＹＰＥ １ 和 Ａ３５３， 两者化学成分一致， 均为 ９ 镍钢， 仅热处理状态不 一致。Ａ５５３ ＴＹＰＥ １ 钢板供货状态为 ＱＱＴ （ 淬火＋ 淬 火＋回 火 ） ； Ａ３５３ 钢 板 供 货 状 态 为 ＮＮＴ （ 正 火＋ 正火＋回火） ， 金相组织为回火奥氏体＋贝氏体 。 ［２－４］ 查 ＡＰＩ ６２０ 可确定以上 ３ 种材料的屈服强度、抗拉
（ １．宁波市特种设备检验检测中心， 浙江宁波 ３１５０２０； ２．浙江大学， 浙江杭州 ３１００２７）
摘 要： 介绍了 ２ 座 ８ 万 ｍ３ 大型常压低温丙烯、乙烯储罐的结构、材料及基本参数， 利用轴对 称有限元法对这 ２ 座储罐进行了应力分析， 获得了储罐各部位的应力分布情况， 并根据应力分析 结果对储罐进行了强度校核。结果表明， ２ 座储罐在水压试验和最大工作载荷条件下均符合强度 要求， 说明储罐设计经济合理。 关键词： 低温储罐； 应力分析； 有限元； 强度校核 中图分类号： ＴＥ９７２ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００１－ ２２０６ （ ２００７） ０５－ ００１３－ ０４
ＭＸ ＭＮ
Ｙ
ＺＸ
ＭＸ
１４４ ２９５
．９２８Ｅ＋０８ ．１８５Ｅ＋０９ ．２７８Ｅ＋０９ ．３７１Ｅ＋０９
．４６５Ｅ＋０８ ．１３９Ｅ＋０９
．２３２Ｅ＋０９ ．３２４Ｅ＋０９ ．４１７Ｅ＋０９
图 ３ 丙烯罐水压试验应力云图 （ 变形放大 ５０ 倍显示， 图中压力单位为 Ｐａ）
大 ， 为 ４１７ ＭＰａ， 壁 板 上 最 大 应 力 为２５３ ＭＰａ， 位 于距底板 １．７５３ ｍ 的壁板内侧 ； 从 图 ３ 可 以 看 出 ， 由于充液， 储罐筒体发生径向膨胀， 在满水位情况 下丙烯罐最大径向膨胀量为 ４２．１ ｍｍ， 位于距底板 ２．６９７ ｍ 的壁板上。
大角焊缝由于制造工艺的限制， 存在未焊透的 小缝隙， 但这些缝隙对储罐整体强度影响很小， 为 简化计算， 将大角焊缝简化为全焊透结构。
储罐壁板及底板所受的液压可根据以下公式计 算：
Ｐ ＝ ρｇ （ Ｈ－ ｘ） （ ０≤ｘ≤Ｈ） 式中 Ｐ— ——壁板及底板受的液压／Ｐａ；
ρ— ——水的密度／（ ｋｇ／ｍ３） ； ｇ— ——重力加速度／（ ｍ／ｓ２） ； Ｈ— ——液位高度／ｍ； ｘ— ——罐内某部位相对于罐底的高／ｍ。 在地基底部约束竖直方向的位移为零， 图 ２ 为 丙烯罐在水压试验时的有限元模型。 丙烯罐模型单元数为 ６ ９４６ 个， 节点数为 ２２ ７１８ 个； 乙烯罐模型单元数为 ８ １３１ 个， 节点数为２６ ８６８ 个。 ２．３ 计算结果 图 ３ 为 丙 烯 罐 在 水 位 为 １９．３６５ ｍ 下 的 应 力 分 布云图， 从图 ３ 可知， 底板大角焊缝处的应力最
低温储罐内罐直接放置在复合保温层和发泡混 凝土环墙上， 这些材料具有一定的弹性， 建模时假 设储罐底部铺设了一层 ３００ ｍｍ 厚的弹性体， 该地 基弹性体的弹性模量假定为 Ｅ′＝ ２ ×１０４ ＭＰａ， 泊松 比 μ′＝ ０．３。钢材泊松比及弹性模量变化不大， 因 此储罐本体材料的弹性模量及泊松比可取普通低 合金碳钢的值： 弹性模量 Ｅ ＝ ２ ×１０５ ＭＰａ， 泊松比 μ＝ ０．３。
图 ４ 为内外壁板上的轴向应力分布曲线， 图 ５ 为内外壁板上环向应力分布曲线， 图 ６ 为底板上表 面径向及环向应力分布曲线 （ 均为丙烯罐水压试验 工况， 对于壁板， ｘ 为距底板上表面的距离； 对于 底板， ｘ 表示距离边缘板外侧的距离） 。从图 ４ 可 知， 此类大型储罐壁板上的轴向应力接近于零， 只 有靠近底板及变截面附近呈现一定的波动， 罐内壁 及外壁轴向应力方向相反。图 ５ 表明在此类大型薄 壁储罐中环向应力占主导地位， 大多数情况下内壁 和外壁环向应力相差不大， 只有第一圈壁板由于底 板约束的影响， 内外壁环向应力差别很大。图 ６ 表 明储罐底板上大角焊缝处应力最大， 随着距大角焊
乙烯罐按 ＡＰＩ ６２０ 附录 Ｑ 的要求制造［１］。
表 １ 丙烯、乙烯储罐基本参数
参数
８ 万 ｍ３
８ 万 ｍ３
丙烯低温储罐 （ Ｔ１０２） 乙烯低温储罐（ Ｔ１０１）
设计压力／ ｋＰａ 操作压力／ ｋＰａ 操 作 温 度／℃ 设 计 温 度／℃ 内罐直径 Ｄｉ ／ｍｍ 内罐高度 Ｈ／ｍｍ 外罐内直径 Ｄｏ／ｍｍ 最 高 工 作 液 位／ｍｍ 水 压 试 验 液 位／ｍｍ 储液密度／（ ｋｇ／ｍ３）
０ 引言 位于宁波北仑台塑工业区 ＮＰＰ 厂的 ８ 万 ｍ３ 丙
烯 （ Ｔ１０２） 、 乙 烯 （Ｔ１０１） 冷 冻 储 罐 为 双 层 壳 体 储 罐， 由乔特波气体工程有限公司 （ ＴＧＥ） 负责工程 设计， 北京建工集团有限公司承担储罐土建部分施 工， 上海石化安装检修工程公司承担钢结构安装施 工， 宁波市特种设备检验检测中心承担这 ２ 座低温 储罐内罐的安装监检工作。
１９．６ １０ － ４５
－ ５０ ￣ ４６．５ ７２ ６００ ２０ ０８８ ７５ ６００ １９ ３６５ １９ ３６５ ６１０
２９．４ ２０ － １０３ － １０７ ￣ ４６．５ ７２ ６００ ２０ ０８８ ７５ ６００ １９ ３６５ １３ ７７０ ５６８
图 １ 为内罐结构示意， 有 ８ 层壁板， 从下至上 壁厚逐渐变小， 在罐的上部有一加强圈， 底板包括 中幅板和边缘板， 内罐放置在 ３００ ｍｍ 厚的复合保 温层及发泡混凝土环上。表 ２ 列出了内罐底板、壁 板的材料和几何尺寸。
正常情况下， 内罐受储液静水压作用， 外罐不 受压， 因此采用有限元方法对内罐进行应力分析， 不考虑外罐。 １ 储罐结构及基本参数
低温储罐的外罐为预应力混凝土结构， 混凝土 内 壁 贴 有 厚 ５ ｍｍ 的 钢 板 ， 并 在 这 些 钢 板 上 装 厚 １５０ ｍｍ 保温棉隔热； 内罐为立式圆柱筒形钢结构， 由不等厚的壁板组成， 内罐底板与外罐底板间有厚 ３００ ｍｍ 的复合保冷层； 外罐内侧直径 ７５ ６００ ｍｍ， 内罐壁板中心直径 ７２ ６００ ｍｍ， 表明内外罐之间存 在较大的空间； 采用拱顶加吊顶的方式， 拱顶与吊 顶在罐底组装， 它们之间用钢棒连接， 然后用吹气 顶升法将其升至安装部位与预埋在混凝土筒体中的 抗压圈焊接， 接着在金属拱顶上浇注厚 ３００ ｍｍ 的 混凝土， 构成整个储罐的顶。表 １ 为这 ２ 座低温储 罐的基本参数。储罐设计、制造标准为美国石油学 会 的 ＡＰＩ ６２０－ ２００２ 《大 型 焊 接 低 压 储 罐 设 计 与 建 造》， 其中丙烯罐按照 ＡＰＩ ６２０ 附录 Ｒ 的要求制造，
环向应力 σθ／ ＭＰａ
径向应力
２００
环向应力
径向及环向应力 σ／ ＭＰａ
１００
０
－ １００
－ ２００
０．０ ０．１ ０．２ ０．３ ０．４ ０．５ 距离 ｘ ／ ｍ
图 ６ 底板上表面应力分布
缝距离增大而迅速衰减， 径向应力大于环向应力。 表 ５ 列出了不同工况下的最大应力、最大径向
膨胀量的大小及部位， 并根据表 ３ 所列许用应力进 行强度校核， 校核结果表明强度符合要求， 其中最 大工作载荷下储罐壁板上的应力余量不大， 这表明 设计时充分利用了材料。 ３ 结论
第 ３３ 卷第 ５ 期
沈建民等： ８ 万 ｍ３ 低温储罐应力分析
１５
底板 地基
第 １ 圈壁板 过渡段 第 ２ 圈壁板
Ｙ ＺＸ
０ ２１ ０７９４２ １５９６３ ２３８８４ ３１８１０５ ３９７１２６ ４７１７４７ ５５１６６８ ６３５１８９ ７１５ 图 ２ 丙烯罐有限元模型 （ 图中压力单位为 Ｐａ）
ｔ＝１８， ｂ＝２ ５１６
第 ２ 圈壁板 第 ３ 圈壁板
ｔ＝２５．３， ｂ＝２ ５１１
ｔ＝１５．７， ｂ＝２ ５１６
Ａ５５３ ＴＹＰＥ １
ｔ＝２１．６， ｂ＝２ ５１１
ｔ＝１３．４， ｂ＝２ ５１６
第 ４ 圈壁板
ｔ＝１７．８， ｂ＝２ ５１１
Ａ５３７ ＣＬ１
第 ５ 圈壁板
ｔ＝１４， ｂ＝２ ５１１
ｔ＝１１， ｂ＝２ ５１６ ｔ＝９．６， ｂ＝２ ５１６
３７９．２
２ 应力分析 用有限元法对这 ２ 座储罐进行应力分析， 获得
储罐各部位的应力分布曲线， 根据计算结果进行强
度校核。 ２．１ 载荷工况
对丙烯罐、乙烯罐分别计算最大工作载荷和水 压试验下的应力分布情况， 表 ４ 列出了 ２ 座罐的计 算载荷工况。
表 ４ 载荷工况
工况
丙烯罐 （Ｔ１０２）
乙烯罐 （Ｔ１０１）
轴向应力 ｘσ ／ ＭＰａ
４００ ３００ ２００ １００
０ － １００ － ２００ － ３００ － ４００
０
外壁轴向应力 内壁轴向应力
２ ４ ６ ８ １０ １２ １４ １６ １８ ２０ 距离 ｘ ／ ｍ
图 ４ 壁板轴向应力分布
外壁环向应力
３００
内壁环向应力
２００
１００
０
－ １００
－ ２００ ０ ２ ４ ６ ８ １０ １２ １４ １６ １８ ２０ 距离 ｘ ／ ｍ 图 ５ 壁板环向应力分布
１４
石油工程建设
２００７ 年 １０ 月
加强圈
１１ １１
３９４ ８ ４５０
９．５ ８
丙烯罐 大角焊缝
加强圈
１２ 乙烯罐 大角焊缝
１１ １１ ９．５
８
壁板
Ｒ３６ ３８４（ Ｔ１０１） ／Ｒ３６ ３９９（ Ｔ１０２） Ｒ３６ ３００ Ｒ３５ ２１９（ Ｔ１０１） ／Ｒ３５ ３１０（ Ｔ１０２） 大角焊缝 复合保温层 中幅板
第 ６ 圈壁板 第 ７ 圈壁板
ｔ＝１０．３， ｂ＝２ ５１１ ｔ＝９．６， ｂ＝２ ５１１
Ａ３５３
ｔ＝９．６， ｂ＝２ ５１６ ｔ＝９．６， ｂ＝２ ５１６
第 ８ 圈壁板
ｔ＝９．６， ｂ＝２ ５１１
ｔ＝９．６， ｂ＝２ ５１６
注： 表中 ｔ 为钢板厚度， ｂ 为钢板宽度。
强度、设计许用应力及水压试验许用应力， 具体数 值列于表 ３。其中设计许用应力的确定原则为： 材 料最小拉伸强度的 ３３．３３％或材料最小屈服强度的 ６６．６７％， 两 者 取 较 小 值 。 试 验 许 用 应 力 的 确 定 原 则 为 ： 材 料 最 小 拉 伸 强 度 的 ５５％或 材 料 最 小 屈 服 强度的 ８５％， 两者取较小值。
本文通过轴对称有限元法对 ８ 万 ｍ３ 低温丙烯、 乙烯储罐进行应力分析， 获得了此类大型储罐壁 板、底板的应力分布曲线， 可为以后的设计、检测 方案制定提供力学依据。
强度校核结果表明， 这 ２ 座储罐在水压试验和
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石油工程建设
２００７ 年 １０ 月
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