大型储罐基础设计方法研究

大型储罐基础设计方法研究

摘要：结合南三油库顺序输送俄罗斯原油改造工程中的非锚固浮顶罐的工程实例，利用有限元软件ansys分别建立了基础形式为正锥工况和倒锥工况的有限元模型，通过静力分析得到两种工况下储罐的变形和应力分布情况，为储罐的基础设计提供参考。abstract： the non-anchor floating roof tanks of south three sequential transport russian crude oil depot renovation project is studied. finite element models of tanks in the form of front taper foundation and back taper foundation are established by ansys. the deformation and stress distribution condition of tanks are obtained by static analysis. it provides a reference for the design of tank.

关键词：储罐；基础；正锥工况；倒锥工况

key words： storage tank；basis；front taper condition；back taper condition

中图分类号：te972 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）21-0048-02

0 引言

储罐基础设计关键在于合理选择基础形式及地基处理方法。基础顶面向上凸起，中间高，四周低，底板呈正锥形（本文简称正锥工况），这种基础泄露储液可以依靠重力流到环墙边从泄露孔流出

[1-2]。环保型基础，基础顶面为凹形，中间低、四周高，底板呈

倒锥形（本文简称倒锥工况），罐壁底部直接坐落在碎石环墙部分，在储罐基础内敷设土工布和土工膜等环保抗渗材料，并在储罐基础中央设检漏装置，这是一种全新技术理念和技术革新[3]。

本文以南三油库顺序输送俄罗斯原油改造工程中的非锚固浮顶

罐为研究对象，深入研究基础顶面不同时储罐的性能，采用有限元法进行静载下储罐各部位变形和应力分布情况研究。

1 模型参数及荷载

大庆南三油库的模型参数包括储罐参数、地基参数和基础参数[4-5]。储罐参数为：容量为15×104m3；内壁直径为98m；储罐高度为22.66m；液面高度为21m；底板厚度为12mm；壁板从下到上分为8圈，厚度分别为40mm、33mm、27mm、22mm、17mm、13mm、12mm、12mm。基础参数：基础砂垫层厚2.5m，宽51.7m，弹性模量为10mpa；混凝土环梁厚1.4m，宽0.4m，弹性模量为3.0mpa×104mpa；两者泊松比均为0.25，密度均为2000kg/m3。地基参数：压缩模量为8mpa；泊松比为0.3；密度为2000kg/m3；粘聚力为31kpa；内摩擦角为25度。

运用有限元软件ansys分别建立大型储罐正锥工况和倒锥工况的二维轴对称有限元模型，正锥工况底板向上坡度+2%，倒锥工况底板向下坡度-2%。选取drucker-prager弹塑性模型模拟地基土的本构关系，储罐与地基之间采用接触模型模拟。正锥工况有限元模型二维简图见图1，倒锥工况的模型类似。

本文主要考虑的荷载包括静水压力和罐体自重，不考虑地基的自

重。作用在罐壁上水压呈三角形分布，作用在底板上的水压呈梯形角形分布。

2 储罐壁板的变形与应力分析

图2为正、倒锥工况下壁板的变形图。由图2可以看出：①两种工况下罐壁第二圈～第八圈壁板的变形基本一致；②在第二圈壁板下部靠近焊缝处，倒锥工况壁板的变形比正锥工况略大，正锥工况最大侧向位移58.3mm，倒锥工况最大侧向位移59.2mm；③第一圈壁板底部靠近大角焊缝处，两者位移相差较大。正锥工况下向内的侧向位移3.90mm，倒锥工况下位移为22.0mm。

图3和图4分别表示壁板内侧沿高度变化的轴向和径向应力分布情况。

从图3中可以看出，两种工况下罐壁第二圈～第八圈壁板的轴向应力基本一致，要第一圈和第二圈壁板存在较大差异。正锥工况下罐壁底部大角焊缝处出现轴向最大拉应力，应力值为463.1mpa，倒锥工况罐壁轴向最大拉应力也出现在底部大角焊缝处，应力值532.2mpa（比正锥工况大14.92%）。

从图4中可以看出，正、倒锥工况罐壁的径向应力变化完全一致、数值几乎相同。径向应力绝对值均小于0.5mpa，因此可以说罐壁径向应力对罐壁厚度设计不起作用。

3 储罐底板的变形与应力分析

图5为两种工况的沉降及底板变形情况。从图6可以看出，正锥工况下，沿径向距离罐底中心25m范围内底板变形后的的坡度较大

约1.5%，满足正常使用；25至48m的范围内的底板变形成“浅碟状”，尽管坡度很小约1%，但这不利于罐底储液以及漏液的排出，也就不能满足工程需要。倒锥底板变形不同于正锥工况，变形后的底板坡度大于沉降前的底板坡度，变形平稳且没用出现“浅碟状”，这将更加有利于液体依靠自重流动而被定向收集。

图6和图7分别表示中底板沿半径方向变化的轴向和径向应力分布情况。

从图6可以看出，正、倒锥工况底板轴向应力非常小，最大值不超过0.3mpa，说明轴向应力对底板的影响可以忽略。

从图7可以看出，倒锥工况下的的径向应力绝对值较正锥工况小很多。两种工况下底板的环向应力均为沿半径呈锯齿状，但是正锥工况底板受到压应力，底板变形容易受到基础的限制，从而起褶弯曲，促进褶皱现象的发生。

4 结论

本文以南三油库顺序输送俄罗斯原油改造工程中的非锚固浮顶

罐为研究对象，分别建立了正锥工况和倒锥工况储罐有限元模型，通过静载下储罐各部位变形和应力分布情况研究，结论如下：

①两种工况下罐壁第二圈～第八圈壁板的轴向应力基本一致，要第一圈和第二圈壁板存在较大差异。②对比发现倒锥工况大角焊缝处轴向应力和径向应力比正锥工况大很多，因此大角焊缝位置在倒锥型储罐基础的设计中应引起重视。③倒锥工况储罐底板应力较正锥工况较很多，故可以减小底板厚度，从而节约用钢量，而且倒锥