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儲罐倒裝法施工中風載對安全性的影響

文檔作者：陳科旭陳次昌張平2 張濤3 楊建強2 文檔來源： (1．西南石油大學機電工程學院 2．新疆石油工程建設(shè)有限責任公司 3．西南石油大學石油工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年10月17日
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16 石油工程建設(shè) 2010年6月
陳科旭 ，陳次昌 ，張 平2，張 濤3，楊建強2
(1．西南石油大學機電工程學院，四川成都610500；2．新疆石油工程建設(shè)有限責任公司，新疆克拉瑪依834000
3．西南石油大學石油工程學院，四川成都610500)
摘 要：新疆地區(qū)氣候環(huán)境特殊，春冬季易出現(xiàn)瞬時最大風速超過40 n1／s的大風．這給大型儲罐倒
裝法施工帶來挑戰(zhàn)。文章采用計算流體動力學(CFD)技術(shù)對施工中風對儲罐產(chǎn)生的作用力進行了
數(shù)值模擬．并通過對液壓提升裝置結(jié)構(gòu)強度的有限元數(shù)值計算．得到了該裝置各部件的應力和位移
隨風速變化的關(guān)系。結(jié)果表明，儲罐迎風面外壁在約60~范圍內(nèi)受正壓，其他部分受負壓．罐內(nèi)壁
均為負壓，但與外部風壓相比較小，儲罐受到向罐心擠壓的作用；由于受罐壁重力分量和橫向風載
的作用，活塞桿對缸體內(nèi)導向套產(chǎn)生了擠壓作用，由此導致導向套部件的應力值較大． 因此施工過
程應重點保證液壓缸導向套部件的安全工作
關(guān)鍵詞：大型儲罐；倒裝法施工；液壓提升；風載：有限元分析
中圖分類號：TE972．1 文獻標識碼：A 文章編號：1001—2206(2010)03—0016—05
O 引言
儲罐的施工方法主要有正裝法和倒裝法兩種
在早期的儲罐安裝中，正裝法雖得到廣泛應用．但
因其高空作業(yè)量大．安全性和施工效率低等缺點．
因而阻礙了其快速發(fā)展 與正裝法相比．倒裝法具
有低空作業(yè)、操作方便和安全性高等突出的優(yōu)點Ⅲ
隨著儲罐向大型化發(fā)展。研發(fā)大型儲罐的倒裝施工
工藝，已成為一種必然趨勢。新疆油氣資源豐富．
同時又是海外人華油氣管道的必經(jīng)之地．因此．在
此建設(shè)大型儲罐工程已成為國家戰(zhàn)略石油儲備計劃
的重要組成部分。但是由于新疆地區(qū)氣候環(huán)境特
殊，春冬季易出現(xiàn)高達l2級、瞬時最大風速超過
40 rn／s的大風．這給大型儲罐工程建設(shè)帶來挑戰(zhàn)
·+ -+ -+ --+ 一+ 一十一—+一-—+一-+ *—— *—· -+ ”—·+一-+ “+ 一+ 一+ 一
目前國內(nèi)外對儲罐的抗風設(shè)計和對安裝完成
的儲罐風載分析等都有不同程度的研究[2_ ．文
獻『21中通過采用大量簡化條件和經(jīng)驗數(shù)據(jù)推
出了儲罐風載分布的理論計算公式 Portela G
等對圓柱薄殼結(jié)構(gòu)進行了一系列風洞試驗及數(shù)
值分析 但目前國內(nèi)基本還沒有采用計算流體
動力學(CFD)及有限元方法對大型儲罐倒裝法
施工過程中液壓提升裝置結(jié)構(gòu)強度進行風載分
析。由于大型儲罐倒裝法施工工藝特殊．因而通
過對大風環(huán)境下儲罐倒裝施工中罐內(nèi)外流場的研
究．進而對倒裝法施工中風載對安全性的影響進
行評價顯得尤為重要 本文采用計算流體動力學
(CFD)方法對10萬m 大型儲罐的風載荷進行了
— 。卜一—+一-—+一一—+一*—-+一”—·+一-+ “——卜-+ 一+ 一—+一一—+_一—+一
[33]TongWeiping，TaoNairong，WangZhenbo，et a1．Nitridingiron and
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作者簡介：劉 紅(1964一)， 女， 遼寧鐵嶺人， 工程師，
1987年畢業(yè)于遼陽石油化工?？茖W校．現(xiàn)從事海洋石油工
程工作
收稿日期：2010—03—05
￥ ￥ ￥ ￥ ￥
★ ★ ★ ★ ★ ★
第36卷第3期 陳科旭等：儲罐倒裝法施工中風載對安全性的影響 l7
數(shù)值模擬計算．并對關(guān)鍵處的液壓裝置進行了風
載有限元強度計算．研究了施工中風載對設(shè)備安
全性的影響．這對提高儲罐安裝的施工安全性和
施工效率有重要的實際意義
1 儲罐倒裝結(jié)構(gòu)
液壓提升倒裝法是采用以液壓千斤頂為主體．
配以不同型號的液壓泵站和液壓管路系統(tǒng)配件等組
成的大型儲罐液壓提升成套設(shè)備進行儲罐施工的方
法 新疆石油工程建設(shè)公司的10萬m 大型浮頂儲油
罐的倒裝法施工采用了6O個液壓裝置均布于儲罐內(nèi)
壁圓周方向．如圖1所示 施工時．先安裝頂層壁
板．用液壓提升設(shè)備提升后．從上至下逐層安裝下層
壁板，最后安裝底層壁板。提升過程中，提升裝置將
承受罐壁的所有重力作用 施工中遇大風時．巨大的
風壓也將作用在罐壁上進而將力傳遞到提升裝置上．
從而由于罐壁重力和風壓的雙重作用而造成結(jié)構(gòu)的失
穩(wěn)、變形、失效甚至破壞，對施工安全和工程進度造
成影響．甚至可能導致重大的安全事故 目前防范的
措施主要是加抗風圈等設(shè)施和避開大風天氣進行施
工 液壓提升裝置結(jié)構(gòu)受力簡圖如圖2所示
圖1 倒裝法施工液壓提升裝置的分布情況
液壓缸體＼
、
／ ，抽瓤
／ 罐底 — —
圖2 提升裝置結(jié)構(gòu)及受力簡圖
2 風載分析
2．1 幾何模型及網(wǎng)格
因為在施T中罐壁為逐層焊接安裝．且加強圈
等裝置對儲罐風載荷的分布影響相對較?。詢?
罐模型可以簡化為薄壁圓筒結(jié)構(gòu)．圖3為10萬m，
儲罐模型與計算空間網(wǎng)格劃分示意 計算空間為長
方體結(jié)構(gòu)．其前端和左右界面分別距罐壁前端l倍
儲罐直徑，后端界面距罐壁后端3倍儲罐直徑．頂
部界面距罐頂20 m．底面與罐底面一致 因為非
結(jié)構(gòu)網(wǎng)格是一種無規(guī)則隨機的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)．具有很好
的靈活性和適應性．易于在流場變化劇烈的區(qū)域隨
意加密網(wǎng)格．尤其對具有復雜邊界的流場計算問題
特別有效 本文的儲罐結(jié)構(gòu)采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格
對整個流場進行劃分 網(wǎng)格數(shù)40萬
一 (b) 計算空I司及網(wǎng)格
圖3 幾何模型網(wǎng)格劃分示意
2．2 邊界條件及數(shù)值模型
將計算空間的底面和罐壁都簡化為壁面．前
端、左右及上界面設(shè)定風速方向的速度進口，文中
根據(jù)新疆地區(qū)實際氣候環(huán)境分別模擬了8～36 In／s
各風速下風載分布情況 后端界面出口設(shè)定為標準
大氣壓。采用標準k-e紊流數(shù)值模型計算。
2．3 計算結(jié)果分析
圖4、圖5給出了30 m／s風速流場數(shù)值模擬結(jié)
果。由速度矢量分布(圖4(a))可以看出：儲罐表
面速度的流線為一個環(huán)繞著整個油罐的旋流．罐壁前
端迎風面氣流速度相對較?。且驗榭諝膺^流表面
作用使在左右壁面風速變大．罐壁后端出現(xiàn)回流。氣
流速度減?。擦鲄^(qū)較長 因為儲罐上方氣流速度較
快且受罐壁影響，在罐內(nèi)形成漩渦氣流(圖4(b))。
罐內(nèi)外的風壓關(guān)于駐點線呈對稱分布 受來流
速度影響．罐壁外迎風面約60~左右的罐壁上風壓
最大(圖5(a)、(b))。罐壁外左右面因氣流速度較
大而受負壓作用(圖5(c))。由于氣流速度減?。?
罐壁后端風壓較大 罐內(nèi)壁均呈負壓分布(圖5
(d))．但與外部風壓相比較小。由于罐壁內(nèi)外的壓
差使得儲罐有受向罐心擠壓的趨勢．且整個罐壁所
受總風載方向為風速向即 方向
18 石油工程建設(shè) 2010年6月
7-32e+o0
6-30e+0o
5．28e+00
4．26e+O0
3．24e+o0 Z
2．22e+o0 ．
}：； 捌
(b)速度矢量截面分布／(m，s)
圖4 速度矢量分布圖
l 一2 17e+02
(a)靜壓分布／Pa
(b)靜壓分布截面，Pa
(c)總壓分布／Pa
Z
Y
I x
(d)總壓分布截面／Pa
圖5 儲罐風壓分布
3 結(jié)構(gòu)有限元強度計算
3．1 模型建立
因為風載相對于儲罐及其提升裝置均呈對稱分
布．所以對結(jié)構(gòu)的抗風強度計算可以簡化為對沿罐
壁方向受最大風載的前后駐點兩關(guān)鍵處液壓裝置的
抗風強度計算。液壓缸體的簡化模型由缸筒、活
塞、導向套以及活塞桿組成【6J，如圖6所示。由于
活塞和活塞桿之間沒有相對運動．在模型中將其粘
結(jié)為一體． 同樣將缸筒與導向套粘結(jié) 采用
Solid95四面體單元掃掠方式劃分網(wǎng)格。材料：液
壓缸缸筒和活塞桿為27SiMn，屈服強度800 MPa：
導向套為青銅合金，屈服強度210 MPa；活塞為
45 鋼．屈服強度355 MPa。
缸筒 活塞 導向套 活塞桿
圖6 i毆壓缸簡化模型
3．2 邊界條件
在液壓缸本體底端和中間拉桿平衡支撐兩處加
上固定約束 建立導向套與活塞桿以及活塞和缸筒
兩個接觸面 液壓缸承受的載荷主要包括儲罐重力
載荷以及橫向傳遞的風載(見圖2)。對提升最后
一層壁板時的受力情況進行計算(此時風壓作用面
毗叭62O+e 19S+e 58m{+e 57叭+e 56叭+e 5m}e 45叭+e 34me 仇24le 14l仇e 14Ome 369加+e 348加+e 237∞+e 63O∞+e 258∞+e 246∞e十 234∞+e 2∞+e 12O∞+e 8lm+e
第36卷第3期 陳科旭等：儲罐倒裝法施工中風載對安全性的影響 19
積和裝置提升罐壁重量最大)．圖7為儲罐沿風向
受風載的分布情況．駐點附近載荷最大，90。附近
風載為零。這樣根據(jù)插值計算可求得駐點處載荷值
的大小。載荷通過撐桿直接作用在缸頂。
圖7 儲罐提升裝置的風壓載荷分布
3．3 結(jié)果分析
對分析結(jié)果進行判別處理．為了顯示液壓缸體
內(nèi)部的應力及變形情況，采用剖面顯示的方法。計
算結(jié)果如圖8、圖9和圖l0所示。
分別模擬8～36 rn／s風速條件下的受力情況并
對計算結(jié)果進行數(shù)據(jù)讀取和整理，得到前后駐點處
液壓缸體各部件的最大應力和頂部最大位移與風速
變化的關(guān)系(見網(wǎng)l1)。
- ．614E-07
I 18．715
強曩圜 ；6．14
4
口舞80．44 72
口318．157
_ 336．872
圖8 液壓缸應力云圖[MPa
■
●
圈
圈
口
口
口
口
口
■
．6l4E-07
18．7l5
37．43
56．145
74．861
93．576
1l2．291
243．297
262．012
280．727
299．442
318．157
336．872
圖9 XY面剖視應力云圖，MPa
由應力位移圖分析可知：在無風環(huán)境中，受
罐壁重力作用，前后液壓缸應力值相等。對于前
500
400
要30o
20o
嘣100
O
對
豈
氌
斗<
略
圖10 液壓缸位移云圖／ram
0 10 2O 30 40
風速／(m／s)
(a)前駐點液壓缸最大應力
風速／(m／s)
(b)后駐點液壓缸最大應力
0 10 、 1 30
＼ ＼
缸
缸
風速／(m／s)
(c)缸頂最大位移
圖1l 液壓缸各部件最大應力、位移與風速變化關(guān)系
駐點液壓缸各部件：當風速較小時應力隨風速增
大而逐漸減?。谶_到最小值后．隨風速繼續(xù)增
大應力又快速增大 在風速約32 m／s時導向套最
大應力達ll2．2 MPa．安全系數(shù)較低．缸筒與活塞
桿約210 MPa．活塞應力值最小，為74．8 MPa；其
位移也先由大變小再增大，如圖11(c)所示。這
是因為罐壁重力分量對前駐點液壓缸的作用與風載
對其作用力在同一直線上但方向相反．所以在較小
風速階段． 由于罐壁重力分量大于風載荷．因而隨
6 2 7
鈣
8 7 5 5L 2 l 0 9L
O 2 5 8 1 4 4 4 5 __一I 囹囹一
O O O
∞ ∞ 加O
Ⅲ，澮 喵
石油工程建設(shè) 2010年6月
風速增大時液壓缸所受總載荷減小 當風載增大至
與罐壁重力分量大小相等后．液壓缸所受總載荷將
隨風速增大而迅速增大
對于后駐點液壓缸：因為罐壁重力分量對液
壓缸的作用與風載對其作用力的方向始終保持一
致．所以各部件應力和位移均隨風速增大而增
大 液壓缸的最大應力出現(xiàn)在導向套的上端。因
為受徑向風載的影響．活塞桿發(fā)生橫向位移造成
對導向套的擠壓．因而導向套的安全系數(shù)低于其
他部件。導向套的作用也使得活塞的應力較小，
變形也較小。由位移圖可知：在無風環(huán)境中，液
壓缸僅承受罐壁重力分量．液壓缸頂最大位移為
28．03 mm．當風速超過32 m／s時．后駐點液壓缸
最大位移達到50 mm
4 結(jié)論
對倒裝法液壓提升裝置的風載有限元分析表
明：
(1)在倒裝法施工過程中．受風的影響，儲罐
前端表面氣流速度較?。?jīng)過罐兩側(cè)過流表面流速
增大．在罐后形成一定回流區(qū)域．流速減小。罐內(nèi)
出現(xiàn)漩渦流。罐外壁在約60~范圍內(nèi)受正壓．其他
部分為負壓。罐內(nèi)壁均為負壓．但與外部風壓相比
較小。儲罐受到向罐心擠壓的作用．同時其整體所
受總風載為風速方向
(2)由于受罐壁重力分量和橫向風載的作用，
活塞桿對缸體內(nèi)導向套的擠壓作用導致液壓缸導向
套部件的應力值較大．安全系數(shù)較小 因此施工過
程應重點注意保證液壓缸導向套部件的安全工作。
(3)前駐點液壓缸應力先隨風速增大而減小。
風速超過一定值后又隨風速增大而快速增大：后駐
點液壓缸應力變化較前駐點液壓缸更平緩．但是其
應力值較大 因此．儲罐安裝過程中應時刻監(jiān)測這
兩點位置附近液壓提升裝置的安全性能
(4)風速增大時液壓缸頂?shù)奈灰埔嘣龃筝^快。
對施工時的罐壁焊接會造成較大影響 建議在施工
中增加沿罐壁圓周對稱均勻分布的抗風撐桿．以減
小儲罐位移
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作者簡介：陳科旭(1985一)， 男， 四川南充人，西南石油
大學在讀碩士研究生．主要研究方向為流體機械設(shè)計與流
體輸送理論及技術(shù)研究。
收稿日期：2009—10—23
” — -+一-—+一一—+一一—卜一—卜一—+一一——卜一—卜一—+一一—卜一—+--—+一-+
國內(nèi)最大地下儲氣庫設(shè)計取得階段性成果
截至2010年4月18日．長慶科技工程公司承擔的國內(nèi)最大地下儲氣庫— — 長慶油田儲氣庫工程．
完成概念設(shè)計和靖邊氣田陜45井區(qū)、榆林氣田南區(qū)儲氣庫前期評價及注采試驗方案的編制工作，取得階
段性成果
中國石油天然氣集團公司決定在長慶油田建設(shè)120億m 的儲氣庫．使之成為中國最大的儲氣庫．以
此促進中國石油天然氣業(yè)務(wù)快速、安全和有序發(fā)展，保障天然氣產(chǎn)運銷儲平衡。
此次確定的陜45井區(qū)儲氣庫位于長慶靖邊氣田中部，計劃年工作氣量120億m，，調(diào)峰天數(shù)120 d，
注氣時間220 d．平均日產(chǎn)氣1億ms。
本刊報道

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