LPG覆土罐有限元分析设计方法和工程案例!


LPG覆土罐(Mounded LPG Bullet)是国外一种新型的液化石油气钢制储存设备,单罐容积可达3000m3,整个罐体埋藏于沙土之中,其结构主要由筒体、封头、气室、加强圈、人孔和接管等组成,具有安全性高、占地面积少、承载能力大等特点。LPG覆土罐结构及布局型式如下图所示,覆土层隔绝阳光对罐体的曝晒,缓解了环境因素对罐内LPG液体的影响,同时还可以缩短相邻罐体之间的安全距离,减少罐区的占地面积

目前,已经建成使用的LPG覆土罐主要分布在英国等欧洲国家,少数遵循欧美建造标准的非洲国家也在逐步推广。国内的LPG储罐主要以球罐为主,尚未出现自主设计、建造的LPG覆土罐,覆土类储罐的设计资料也较为稀缺。

设计依据及标准规范

LPG覆土罐的设计和建造须遵循EEMUA 190—2000ASME Section -2中的相关要求。

EEMUA190是英国工程设备和材料用户协会(Engineering Equipment & Materials Users′AssociationEEMUA)颁布的标准, LPG覆土罐罐区布置、沙床设计、罐体尺寸参数、结构型式、材料选用、载荷选取、力学模型、施工要求等方面的内容主要按照本标准执行。

ASME Section -2对于罐体的强度计算方法和校核准则,仍旧采用ASME -2标准执行,要求LPG覆土罐材料的性能,结构的强度、刚度和稳定性等均应满足本标准的相关规定。

覆土罐的简化力学模型

LPG覆土罐建造完成后,对其表面进行防腐处理,然后将其放置于密实度较高的沙床之

上。采用沙床型式的支承结构,可以将常规卧式储罐支座对罐体作用产生的集中载荷转换成均布载荷,进而减少作用于罐体的弯矩。罐体放置就位后,在其周围填充密实度较低的沙土,直至整个罐体完全被沙土覆盖。其力学模型示意图如下图2所示。

沙床基础承载LPG覆土罐罐体的所有载荷,罐体外表面受覆土的重力作用,需承载一定程度的外压。考虑到沙床为离散结构,随着使用年限的增加,沙床自身会产生不均匀的沉降变形,对罐体产生一定的剪切作用,使罐体自身产生弯矩,弯矩过大将会破坏罐体的结构强度。EEMUA190标准认为,LPG覆土罐的沙床基础可能会出现两种形式的不均匀沉降,分别为“middle hard(中间硬、两头软)”和“middle soft(中间软、两头硬)”,如下图3所示。两种基础的承载能力相同,且在同一基础中随机出现。因此,LPG覆土罐罐体的设计应两种基础分别进行计算校核

根据EEMUA190的相关规定,设定LPG覆土罐的筒体总长为Ltot,中间作用区域的长度为0.5Ltot,两端作用区域的长度为0.25Ltot,且软基础的作用载荷为硬基础作用载荷的1/2

设计需考虑的载荷

设计LPG覆土罐需要同时考虑罐体自重载荷、介质充装载荷、内部正压载荷、内部负压载荷、覆土载荷、罐体不均匀支撑载荷、轴向载荷、地震载荷、外部载荷和基础支撑载荷共10种载荷。如下所列:

1)自重载荷Q1自重载荷是LPG覆土罐罐体自身的结构重量,主要包括筒体、封头、气室、人孔、加强圈等;

2)充装载荷Q2Q2充装载荷是LPG覆土罐充装介质的重量,主要包括LPG介质重量Q2和水介质重量Q2′2两种,设计工况、地震工况下充装载荷为Q2,耐压试验工况下充装载荷为Q2

3)内部正压载荷N3N3内部正压载荷是LPG覆土罐充装介质的压力,主要包括LPG介质压力N3和水介质压力N3两种,设计工况、地震工况下内部正压载荷为N3,耐压试验工况下内部正压载荷为N3

4)内部负压载荷N4内部负压载荷是由介质快速泄放而产生的罐内负压,若罐体的泄放速度较为缓慢,则可以忽略;

5)覆土载荷Q5覆土载荷是LPG覆土罐表面覆盖沙土对罐体的作用力,其大小主要由覆土层的厚度决定,需要采用EEMUA190标准中覆土载荷的等效法计算确定,等效模型如上图2所示;

6)罐体不均匀支撑载荷Q6罐体不均匀支撑载荷由沙床基础的不均匀沉降而产生,其大小由沙床基础的密实度决定,该项载荷的取值由沙床设计单位提供。如下图4所示,罐体不均匀支撑载荷主要以等效土弹簧的型式作用在罐体的下表面,对罐体产生剪切破坏;

7)轴向载荷Q7轴向载荷是LPG覆土罐两端封头承受的外部轴向力,它属于罐体附加载荷。若罐体仅受沙土的覆盖作用,其取值为0

8)地震载荷Q8地震载荷是作用于LPG覆土罐的地震作用,仅在地震工况下存在,该载荷以水平地震加速度对罐体进行加载;

9)外部载荷Q9外部载荷是LPG覆土罐覆土层表面的其他载荷,其作用在覆土层表面,通过覆土层传递给下部的罐体,该载荷属于罐体附加载荷。若罐体仅受沙土的覆盖作用,其取值为0

10)基础支撑载荷Q10基础支撑载荷是LPG覆土罐沙床基础需要承载的重量,它主要由自重载荷、充装载荷(较大者)、覆土载荷和外部载荷叠加组成,是沙床基础设计的重要参数,也是罐体不均匀支撑载荷取值的依据。

边界条件的考虑

1)沙床基础边界条件:LPG覆土罐表面被沙土覆盖,罐体坐落在压实的沙床基础之上,沙床基础的包角一般为90°~120°之间。如上图4所示,ANSYS Workbench

中可采用弹性支撑的型式模拟沙床基础,罐体的不均匀支撑载荷Q6 Elastic Foundation StiffnessEFS)参数进行等效加载。

2)其它边界条件:LPG覆土罐在承受沙床基础作用的同时,其罐体内表面受到介质的压力N3和液柱静压力Q2、外表面承载沙土在竖直方向的压力Q5、水平方向承载地震载荷Q8等多种载荷的共同作用。 

计算工况说明

根据LPG覆土罐的实际使用过程,可将其分为设计工况、耐压试验工况、地震工况、覆土工况共4种工况分别进行设计计算:

1)设计工况:设计工况为LPG覆土罐的正常使用工况,该工况下罐体内部承受LPG介质的充装载荷和内部正压载荷,外部承受覆土载荷、罐体不均匀支撑载荷、轴向载荷和外部载荷,同时还有罐体的自重载荷。该工况下LPG覆土罐承受内压,因此,设计过程仅需考虑罐体结构的强度问题。

2)耐压试验工况:耐压工况为LPG覆土罐建造过程中的试压工况,该工况下罐体放置在120°包角的沙床基础之上,其上表面未覆盖沙土,罐体内部承受水介质的充装载荷和内部正压载荷,外部承受罐体不均匀支撑载荷,以及罐体的自重载荷。该工况下LPG覆土罐承受内压,因此,设计过程仅需考虑罐体结构的强度问题。

3)地震工况:地震工况为LPG覆土罐在正常使用过程中突发地震时的工况,该工况下罐体内部承受LPG介质的充装载荷和内部正压载荷,外部承受覆土载荷、罐体不均匀支撑载荷、轴向载荷和外部载荷,同时还有罐体的自重载荷和地震载荷。该工况下LPG覆土罐承受内压,因此,设计过程仅需考虑罐体结构的强度问题。

4)覆土工况:覆土工况为LPG覆土罐建造过程中罐体表面覆盖沙土过程的工况,该工况下罐体仅承受外部的覆土载荷、罐体不均匀支撑载荷、轴向载荷、外部载荷以及自重载荷。该工况下LPG覆土罐属于承受外压的容器,需要同时考虑罐体结构强度和外压稳定性两方面的问题。与此同时,出于安全考虑,该工况还应将罐体内部介质卸料过程中所产生的负压N4纳入加载条件进行计算。

各工况下的载荷方式如下表1所示:

失效模式的考虑

1LPG覆土罐在设计工况、耐压试验工况、地震工况下均承载内压载荷,且内部压力载荷大于外部压力载荷,属于内压容器。因此,设计工况、耐压试验工况和地震工况下只用对罐体进行强度计算,对罐体结构进行防止塑性垮塌失效评定

2)覆土工况下,由于罐体内部不承受介质作用的正压力,仅承受覆土载荷和罐体不均匀支撑载荷,属于外压容器。因此,该工况下需要同时考虑罐体结构的强度和外压稳定性,同时对罐体结构进行防止塑性垮塌失效评定和屈曲失效评定。

工程设计案例

基于文中的设计方法,以某工程中2000m3LPG覆土罐的设计参数为例,对罐体结构进行设计。

1设计参数如下表2所示:

2载荷分析,如下表3所示:

3有限元模型和边界条件的施加

ANSYS Workbench中,分别对LPG覆土罐进行设计工况、耐压试验工况、地震工况以及覆土工况的有限元分析计算,并对罐体的应力集中部位进行线性化操作处理,判断计算结果是否满足设计要求。建立1/2对称全模型,设定材料参数,采用20节点Solid 186单元划分网格,网格数总计197820节点数总计1011886厚度方向划分3层,分别考虑了middle hard”或“middle soft”两种形式的沙床基础的计算。有限元模型如下图5所示,边界条件施加如下图6所示

4数值计算结果,设计工况、耐压试验工况、地震工况、覆土工况计算结果分别如下图7~14所示

5覆土工况有限元特征值屈曲计算

覆土工况罐体处于“middle hard”和“middle soft”两种支撑情况下,分别对其进行特征值屈曲分析,其计算结果如下图15所示。经过对比计算,罐体的失稳部位均为靠近软硬基础过渡面区域的壳板。计算还表明,“middle hard”与“middle soft”两种沙床基础形式均能够对罐体结构产生一定的剪切作用,导致周围覆土对罐体结构产生弯矩。因此,必须有效地控制沙床基础的不均匀沉降量,防止过大的不均匀沉降破坏罐体结构。

6强度及屈曲评定:

强度评定结果如下4所示

屈曲评定结果如下表5所示


文章来源ANSYS分析设计人。

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