大型石油儲罐抗風(fēng)性能研究

大型油罐用于儲存原油和其他石油產(chǎn)品。它是原油和管道儲存系統(tǒng)的重要組成部分，也是中國國家原油戰(zhàn)略儲備庫項目中重要的環(huán)節(jié)。同時，大型油罐也關(guān)系到國家安全和生命財產(chǎn)安全。這是一種非常重要的承受裝置。如果發(fā)生損壞或傾斜，原油和其他廢棄物，將產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。由于石油儲罐的重要性,如何在石油儲罐的建造和使用中保證其安全和可靠,已經(jīng)成了目前國內(nèi)專家學(xué)者們研究的熱點(diǎn)[1~2]。目前有三種材料的油罐,分別以磚石,鋼以及鋼筋混凝土為材料。本文中主要研究鋼制立式油罐。立式結(jié)構(gòu)的油罐包括拱頂油罐和浮頂油罐,如圖1和圖2所示。1油罐失穩(wěn),會導(dǎo)致環(huán)境和生態(tài)污染原油儲罐的大型化發(fā)展趨勢以及它在我國的重要戰(zhàn)略地位決定了它必須具有非常良好的安全性能。隨著原油儲罐越大,其半徑與厚度之比增大,從而造成原油儲罐的剛性減小,抵抗風(fēng)載荷的能力下降。只有具有良好的安全性能以及防震防風(fēng)措施,才能使原油儲罐長期穩(wěn)定發(fā)揮它的儲備石油的作用;如果沒有良好的安全措施,則可能造成原油儲罐失穩(wěn),而一旦失穩(wěn),發(fā)生原油泄漏,不僅將造成非常大的經(jīng)濟(jì)損失,也會引起非常嚴(yán)重的環(huán)境和生態(tài)污染。造成油罐失穩(wěn)主要有三種原因,第一是地基沉降,眾所周知,對于任何建筑地基都是非常重要的一部分,一旦地基發(fā)生不均勻沉降,對于地上建筑的影響會非常巨大。第二是地震,地震對于油罐的影響也是非常重要的,一旦發(fā)生地震,如果油罐的結(jié)構(gòu)不夠牢固,則很容易發(fā)生失穩(wěn)或者傾覆。第三就是強(qiáng)風(fēng)對于油罐的影響,大自然中的風(fēng)都是陣風(fēng),是沿著一定頻率吹的;臺風(fēng)的風(fēng)力大小最高可以達(dá)到十七級(56.1-61.2m/s)。這樣的話既可能造成油罐被風(fēng)力所吹癟(靜態(tài)),產(chǎn)生屈曲或傾覆,也可能激起油罐的自振(動態(tài)),從而造成破壞。關(guān)于油罐風(fēng)致屈曲的研究,國外學(xué)者專家研究的比較早,也比較全面;而國內(nèi)最近幾年才剛剛興起,關(guān)于罐體風(fēng)致屈曲的比較系統(tǒng)的研究目前還沒有,亟待突破。文章結(jié)合東部沿海地區(qū)的風(fēng)載特性,對一萬立方米原油儲罐進(jìn)行了風(fēng)載作用下的穩(wěn)定性分析。2原油儲罐風(fēng)壓周向分布風(fēng)載荷是空氣流動對工程結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓力,所以也稱為風(fēng)的動壓力。風(fēng)載荷的大小與基本風(fēng)壓、地形、地面粗糙指數(shù)、高度以及建筑形狀等等因素有關(guān)。由于我國本身獨(dú)有的氣候條件和地理位置,夏季東南沿海的臺風(fēng)比較多,內(nèi)陸地區(qū)則是雷暴和冰雹大風(fēng)比較多;冬委北部地區(qū)寒風(fēng)較多。由于臺風(fēng)造成的事故非常多,影響范圍大,所以在沿海地區(qū)臺風(fēng)往往是設(shè)計工程結(jié)構(gòu)的時候最主要的控制載荷?！督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中規(guī)定了計算風(fēng)載荷的標(biāo)準(zhǔn)公式。計算主要承重結(jié)構(gòu)時,某高度z下載荷強(qiáng)度應(yīng)如下計算:其中,wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2);μs為風(fēng)載體型系數(shù),和結(jié)構(gòu)的型式有關(guān);wk為風(fēng)壓高度變化系數(shù);βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù),對于高聳建筑(高寬比大于1.5)來說需要考慮風(fēng)振的影響;基本風(fēng)壓(kN/m2)標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇的風(fēng)壓,但規(guī)定最低為0.3kN/m2。計算圍護(hù)結(jié)構(gòu)時:βgz為高度處的陣風(fēng)系數(shù)(考慮到瞬間風(fēng)比平均風(fēng)大而乘的系數(shù))。大型原油儲罐多采用鋼質(zhì)結(jié)構(gòu),圓柱形,是圍護(hù)結(jié)構(gòu),因此,采用上面的方法計算風(fēng)載荷的時候,需要考慮陣風(fēng)系數(shù),但是標(biāo)準(zhǔn)中的方法沒有考慮到風(fēng)壓在圓柱形周向分布的影響,而只是計算了其平均壓力。對于風(fēng)壓在周向的大小分布,一般用傅立葉系數(shù)表示:其中,p為風(fēng)載荷在某一周向展開角的壓力;ci為風(fēng)壓系數(shù),屬于經(jīng)驗值,一般由試驗或者觀測得到;θ為風(fēng)壓沿著罐周分布的周向展開角;λ為風(fēng)壓的高度變化細(xì)系數(shù)。1967年Rish定義了風(fēng)壓系數(shù):1986年,Gorenc定義了石油儲罐外壁的周向風(fēng)系數(shù):而到了1988年,Greiner又提出了一個新的風(fēng)壓系數(shù):而為了對柱形殼體的分析做一個進(jìn)一步的簡化,Pircher建立了罐壁外側(cè)的周向風(fēng)壓系數(shù),如下所示:美國土木工程師協(xié)會(ACI-ASCE)也規(guī)定了ci的值;各位學(xué)者的研究結(jié)果比較如表1所示。為了更加清晰地表示各位學(xué)者的研究結(jié)果,從-180度到180度,每隔5度取一個點(diǎn),把以上五個風(fēng)壓周向分布的函數(shù)繪成圖線如圖3所示。通過對上圖進(jìn)行仔細(xì)分析,可以得到:圓柱筒體的周向風(fēng)壓五個分布函數(shù)都是關(guān)于Y軸對稱的。在周向展開角0度角附近±30度范圍內(nèi)呈正值,其中在0度角時達(dá)到最大;即以儲罐向風(fēng)面為正面,儲罐在正面60度角范圍內(nèi)是受壓應(yīng)力的,在風(fēng)直吹的位置所受壓應(yīng)力最大,也最容易屈曲;而在儲罐的側(cè)面和背面,所受到的向外的吸應(yīng)力,在大約±80度的位置,吸應(yīng)力達(dá)到最大值。在背面120度范圍內(nèi),所受的吸應(yīng)力很小。在對五個函數(shù)的比較中可以發(fā)現(xiàn),Rish所創(chuàng)建的風(fēng)壓系數(shù)形成的函數(shù)中,壓應(yīng)力接近于最大值,吸應(yīng)力幅值比較小,壓力集中范圍大,用這個函數(shù)作為儲罐的所受風(fēng)壓來計算和模擬儲罐的風(fēng)致屈曲效應(yīng),所計算得到的結(jié)果也會相對保守一些?；谶@個原因,在計算靜態(tài)風(fēng)致屈曲響應(yīng)的時候,將會采用Rish定義的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓系數(shù)用于整個計算過程中。3結(jié)構(gòu)屈曲分析屈曲指的是結(jié)構(gòu)中的一種失效,具體表現(xiàn)為,當(dāng)結(jié)構(gòu)受到很高、且不小于它所能承受的極限壓應(yīng)力的力時會失效。這種失效常歸結(jié)于彈性不穩(wěn)定性。屈曲分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷,屈曲分析包括:線性屈曲和非線性屈曲分析。線性屈曲分析是以小位移小應(yīng)變的線彈性理論為基礎(chǔ)的,分析中不考慮結(jié)構(gòu)在受載變形過程中結(jié)構(gòu)構(gòu)形的變化,也就是在外力施加的各個階段,總是在結(jié)構(gòu)初始構(gòu)形上建立平衡方程。當(dāng)載荷達(dá)到某一臨界值時,結(jié)構(gòu)構(gòu)形將突然跳到另一個隨遇的平衡狀態(tài),稱之為屈曲。臨界點(diǎn)前稱之為前屈曲,臨界點(diǎn)后稱之為后屈曲。與線性屈曲分析不同的是,非線性屈曲分析則需要考慮結(jié)構(gòu)在受載變形過程中的變化,具體來說,非線性屈曲分析可以看成是多個線性屈曲分析組成的,它的每一步載荷增量都是微小的,而且第一步都是相當(dāng)于在上一步的線性屈曲平衡狀態(tài)上增加一個微小載荷增量,求得新的線性屈曲平衡狀態(tài)。非線性屈曲分析主要包括幾何非線性失穩(wěn)分析,彈塑性失穩(wěn)分析和非線性后屈曲(Snap-through)分析。3.1風(fēng)致屈曲模型立式原油儲罐一般為圓筒薄壁型,體積容量較大。在建模的時候,可以把它簡化成為一個具有一定厚度的圓柱殼體。本文所作的假設(shè)為:(1)不考慮流體的影響;(2)不考慮地基的影響;(3)不考慮浮項、抗風(fēng)圈的存在以及其他加強(qiáng)部件的影響。由于風(fēng)壓函數(shù)是對稱函數(shù),原油儲罐的簡化模型也是對稱的,所以只需建立1/2的模型,這樣既減少計算時間,又不會影響最后的結(jié)果。此外,由于原油儲罐的高度相對于大氣層來說很低,可以不考慮風(fēng)載荷的在高度上的變化分布。原油儲罐的原始參數(shù)為:半徑r=15.24m,高度h=12.91m,厚度t=8.92mm。這個尺寸選自于著名的LuisA.GODOY教授在計算原油儲罐風(fēng)致屈曲時所采用的模型參數(shù)。儲罐的材料假設(shè)為16MnR低合金鋼,密度為7850kg/m3,楊氏模量為2.06×1011,泊松比為0.3。建模時,設(shè)定U1,U2,U3分別代表X,Y,Z方向的位移,UR1,UR2,UR3代表以X,Y,Z方向為軸發(fā)生的旋轉(zhuǎn),同時應(yīng)當(dāng)考慮邊界條件的設(shè)定。考慮到只建立1/2的模型,在設(shè)定邊界條件時,設(shè)備模型的豎向兩邊的U3,UR1,UR2為零,以避免它往斜向偏移,對結(jié)果造成影響。此外,由于不考慮地基的影響,假設(shè)地基是恒久固定的,即并于模型的底邊,設(shè)定U1,U2,U3為零,不允許它發(fā)生任何的位移。把Rish得出的風(fēng)壓系數(shù)作為參數(shù),得到基本風(fēng)壓函數(shù),再把儲罐的半徑代入,得到了分布在儲罐表面的風(fēng)載荷。3.2罐體上的有限元單元用S4R單元(四節(jié)點(diǎn)減縮單元)對本有限元模型進(jìn)行離散。減縮積分單元僅僅適用于劃分殼體的四邊形單元和劃分實體的六邊形單元,這些單元跟完全積分單元的不同是,它們在每一個方向上都會少用一個積分點(diǎn),而二次減縮積分單元的積分點(diǎn)數(shù)量與線性完全積分單元相同。由于考慮到罐體上部所受變形會較大,先用Sweep(掃略網(wǎng)格劃分技術(shù))在模型上劃分,使模型全部由四邊形單元組成,然后再用MeshControls(網(wǎng)格控制),在罐體上部加密,設(shè)定罐體的最大網(wǎng)格是最小網(wǎng)格尺寸的3倍。劃分后的模型如圖4所示。3.3風(fēng)荷載作用下的臨界風(fēng)壓幅值經(jīng)過計算,該有限元模型在臨界屈曲狀態(tài)的位移云圖如圖5所示。從圖5可以看出,儲罐的臨界屈曲并非所設(shè)想的那樣,發(fā)生在零度角附近,而是發(fā)生在管壁的側(cè)面,臨界屈曲狀態(tài)時其最大位移為3.3mm。這是由于根據(jù)Rish的風(fēng)載荷系數(shù)公式,壓應(yīng)力在0度角時最大,其值為1,而拉應(yīng)力最大值是1.9,所對應(yīng)的是65度角。這也與上圖所顯示的臨界屈曲發(fā)生的位置是一樣的。取0度角頂端的一個節(jié)點(diǎn)(即罐中心位移最大的點(diǎn))作出其位移載荷曲線,如圖6所示。由位移載荷曲線可以看出,在風(fēng)載荷作用下,儲罐的平衡路徑是高度非線性的。起初,風(fēng)壓隨著位移的增大呈線性變化,但是線性范圍的區(qū)域很窄。當(dāng)儲罐達(dá)到風(fēng)致屈曲后,儲罐進(jìn)入后屈曲階段,隨著位移的不斷增大,屈曲路徑較為穩(wěn)定。這表明,后屈曲階段,儲罐的屈曲路徑非常不穩(wěn)定。確定儲罐在風(fēng)載荷作用下的臨界風(fēng)壓幅值,可以通過模型的LoadProportionalityFactor(載荷比例因子)曲線實現(xiàn),本模型的LPF曲線如圖7所示。由上圖可以看出,其比例因子為1.535,設(shè)置的初始比例風(fēng)壓值λ=1000Pa,故最終計算得到的臨界風(fēng)壓幅值λc=1.535kPa。根據(jù)壓力與風(fēng)速的公式可以得到臨界風(fēng)速為:對應(yīng)風(fēng)速表可知,十五級臺風(fēng)的風(fēng)速范圍是46.2-50.9m/s,此時的風(fēng)速相當(dāng)于十五級臺風(fēng),在地球上并不是非常罕見的,比如,2011年6月舟山嵊泗地區(qū)的臺風(fēng)的最大風(fēng)力就達(dá)到了15級;2012年臺風(fēng)“布拉萬”的最大風(fēng)力就達(dá)到了17級。儲罐在強(qiáng)臺風(fēng)的作用下極容易發(fā)生風(fēng)致屈曲,需要作一些抗風(fēng)措施以保證其能經(jīng)受往惡劣天氣的影響。4包東南角鋼對罐內(nèi)臨界風(fēng)壓的影響由之前的計算結(jié)果可以得知,當(dāng)儲罐的徑厚比r/t恒為1700,而高徑比h/r大于或者等于0.8時,就必須考慮臺風(fēng)的影響;而同樣的,當(dāng)儲罐的高徑比h/r恒為0.8,而徑厚比大于或者等于1500時,也必須考慮臺風(fēng)的影響。為了防止儲罐被臺風(fēng)吹癟,在設(shè)計油罐的時候,會采用一系列的措施。一般油罐上部一定要包邊角鋼,這個可以起到一定的加強(qiáng)作用,以加強(qiáng)油罐的抗風(fēng)特性。我們在原有的模型基礎(chǔ)上,加上包邊角鋼進(jìn)行模擬,并計算出來對應(yīng)的臨界載荷,以判斷抗風(fēng)的效果。包邊角鋼是油罐的一種特有結(jié)構(gòu),由鋼制成,一般焊接在油罐罐壁的最上端,對罐壁的起到加強(qiáng)作用。油罐的包邊角鋼一般是“L型”,如圖8所示。包邊角鋼一般與罐壁的內(nèi)緣焊在一起。假設(shè)其也為殼體來計算,并厚度設(shè)為1cm。經(jīng)過計算,得到在存在包邊角鋼的情況下,儲罐的臨界風(fēng)壓為2.918kPa,比沒有包邊角鋼的時候的臨界風(fēng)壓多了將近一倍,對應(yīng)的臨界風(fēng)速為68.33m/s,超出了17級臺風(fēng)的最大風(fēng)速。所以可以得到,加上包邊角鋼以后對儲罐的風(fēng)致屈曲特性有加強(qiáng)作用。屈曲模態(tài)分析:帶有包邊角鋼的儲罐模型在未達(dá)到臨界風(fēng)壓時,其屈曲變形主要發(fā)生在罐的側(cè)面;當(dāng)達(dá)到臨界風(fēng)壓后,隨著周向風(fēng)壓的增加,較大變形逐漸集中于罐中心,其中最大變形