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儲(chǔ)罐倒裝法施工中風(fēng)載對(duì)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(qiáng)2 文檔來(lái)源： (1．西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2．新疆石油工程建設(shè)有限責(zé)任公司 3．西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)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(qiáng)2
(1．西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都610500；2．新疆石油工程建設(shè)有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依834000
3．西南石油大學(xué)石油工程學(xué)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(shí)最大風(fēng)速超過(guò)40 n1／s的大風(fēng)．這給大型儲(chǔ)罐倒
裝法施工帶來(lái)挑戰(zhàn)。文章采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)對(duì)施工中風(fēng)對(duì)儲(chǔ)罐產(chǎn)生的作用力進(jìn)行了
數(shù)值模擬．并通過(guò)對(duì)液壓提升裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元數(shù)值計(jì)算．得到了該裝置各部件的應(yīng)力和位移
隨風(fēng)速變化的關(guān)系。結(jié)果表明，儲(chǔ)罐迎風(fēng)面外壁在約60~范圍內(nèi)受正壓，其他部分受負(fù)壓．罐內(nèi)壁
均為負(fù)壓，但與外部風(fēng)壓相比較小，儲(chǔ)罐受到向罐心擠壓的作用；由于受罐壁重力分量和橫向風(fēng)載
的作用，活塞桿對(duì)缸體內(nèi)導(dǎo)向套產(chǎn)生了擠壓作用，由此導(dǎo)致導(dǎo)向套部件的應(yīng)力值較大． 因此施工過(guò)
程應(yīng)重點(diǎn)保證液壓缸導(dǎo)向套部件的安全工作
關(guān)鍵詞：大型儲(chǔ)罐；倒裝法施工；液壓提升；風(fēng)載：有限元分析
中圖分類(lèi)號(hào)：TE972．1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001—2206(2010)03—0016—05
O 引言
儲(chǔ)罐的施工方法主要有正裝法和倒裝法兩種
在早期的儲(chǔ)罐安裝中，正裝法雖得到廣泛應(yīng)用．但
因其高空作業(yè)量大．安全性和施工效率低等缺點(diǎn)．
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(diǎn)Ⅲ
隨著儲(chǔ)罐向大型化發(fā)展。研發(fā)大型儲(chǔ)罐的倒裝施工
工藝，已成為一種必然趨勢(shì)。新疆油氣資源豐富．
同時(shí)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(chǔ)罐工程已成為國(guó)家戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備計(jì)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(dá)l2級(jí)、瞬時(shí)最大風(fēng)速超過(guò)
40 rn／s的大風(fēng)．這給大型儲(chǔ)罐工程建設(shè)帶來(lái)挑戰(zhàn)
·+ -+ -+ --+ 一+ 一十一—+一-—+一-+ *—— *—· -+ ”—·+一-+ “+ 一+ 一+ 一
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)儲(chǔ)罐的抗風(fēng)設(shè)計(jì)和對(duì)安裝完成
的儲(chǔ)罐風(fēng)載分析等都有不同程度的研究[2_ ．文
獻(xiàn)『21中通過(guò)采用大量簡(jiǎn)化條件和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)推
出了儲(chǔ)罐風(fēng)載分布的理論計(jì)算公式 Portela G
等對(duì)圓柱薄殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)
值分析 但目前國(guó)內(nèi)基本還沒(méi)有采用計(jì)算流體
動(dòng)力學(xué)(CFD)及有限元方法對(duì)大型儲(chǔ)罐倒裝法
施工過(guò)程中液壓提升裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行風(fēng)載分
析。由于大型儲(chǔ)罐倒裝法施工工藝特殊．因而通
過(guò)對(duì)大風(fēng)環(huán)境下儲(chǔ)罐倒裝施工中罐內(nèi)外流場(chǎng)的研
究．進(jìn)而對(duì)倒裝法施工中風(fēng)載對(duì)安全性的影響進(jìn)
行評(píng)價(jià)顯得尤為重要 本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)
(CFD)方法對(duì)10萬(wàn)m 大型儲(chǔ)罐的風(fēng)載荷進(jìn)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
38CrMoA1 steel with a nanostructured surface layer[J]．中國(guó)科學(xué)院
研究生院學(xué)報(bào)．2005，22(2)：224—230．
【34]Wang Z B，Lu J，Lu K．Chromizing behaviors of a low carbon steel
processed by means of surface mechanical attration treatment[J]．Acta
Mater，2005，53：2 175—2 081．
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nanoerystallized low-carbon steels during gaseous nitridation【JJ．
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[36]卑多慧，呂堅(jiān)，顧劍封．表面納米化預(yù)處理對(duì)低碳鋼氣體滲氮行
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氮結(jié)構(gòu)與性能的影響IJ】．Acta Materialia，2006，54：5 599—5 605．
[38]劉剛，雍興平，盧柯．金屬材料表面納米化的研究現(xiàn)狀【J]．中國(guó)表
面工程，2001，(3)：1-5．
作者簡(jiǎn)介：劉 紅(1964一)， 女， 遼寧鐵嶺人， 工程師，
1987年畢業(yè)于遼陽(yáng)石油化工?？茖W(xué)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(chǔ)罐倒裝法施工中風(fēng)載對(duì)安全性的影響 l7
數(shù)值模擬計(jì)算．并對(duì)關(guān)鍵處的液壓裝置進(jìn)行了風(fēng)
載有限元強(qiáng)度計(jì)算．研究了施工中風(fēng)載對(duì)設(shè)備安
全性的影響．這對(duì)提高儲(chǔ)罐安裝的施工安全性和
施工效率有重要的實(shí)際意義
1 儲(chǔ)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(hào)的液壓泵站和液壓管路系統(tǒng)配件等組
成的大型儲(chǔ)罐液壓提升成套設(shè)備進(jìn)行儲(chǔ)罐施工的方
法 新疆石油工程建設(shè)公司的10萬(wàn)m 大型浮頂儲(chǔ)油
罐的倒裝法施工采用了6O個(gè)液壓裝置均布于儲(chǔ)罐內(nèi)
壁圓周方向．如圖1所示 施工時(shí)．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(guò)程中，提升裝置將
承受罐壁的所有重力作用 施工中遇大風(fēng)時(shí)．巨大的
風(fēng)壓也將作用在罐壁上進(jìn)而將力傳遞到提升裝置上．
從而由于罐壁重力和風(fēng)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(duì)施工安全和工程進(jìn)度造
成影響．甚至可能導(dǎo)致重大的安全事故 目前防范的
措施主要是加抗風(fēng)圈等設(shè)施和避開(kāi)大風(fēng)天氣進(jìn)行施
工 液壓提升裝置結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)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(jiǎn)圖
2 風(fēng)載分析
2．1 幾何模型及網(wǎng)格
因?yàn)樵谑㏕中罐壁為逐層焊接安裝．且加強(qiáng)圈
等裝置對(duì)儲(chǔ)罐風(fēng)載荷的分布影響相對(duì)較?。詢?chǔ)
罐模型可以簡(jiǎn)化為薄壁圓筒結(jié)構(gòu)．圖3為10萬(wàn)m，
儲(chǔ)罐模型與計(jì)算空間網(wǎng)格劃分示意 計(jì)算空間為長(zhǎng)
方體結(jié)構(gòu)．其前端和左右界面分別距罐壁前端l倍
儲(chǔ)罐直徑，后端界面距罐壁后端3倍儲(chǔ)罐直徑．頂
部界面距罐頂20 m．底面與罐底面一致 因?yàn)榉?
結(jié)構(gòu)網(wǎng)格是一種無(wú)規(guī)則隨機(jī)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)．具有很好
的靈活性和適應(yīng)性．易于在流場(chǎng)變化劇烈的區(qū)域隨
意加密網(wǎng)格．尤其對(duì)具有復(fù)雜邊界的流場(chǎng)計(jì)算問(wèn)題
特別有效 本文的儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格
對(duì)整個(gè)流場(chǎng)進(jìn)行劃分 網(wǎng)格數(shù)40萬(wàn)
一 (b) 計(jì)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(jì)算空間的底面和罐壁都簡(jiǎn)化為壁面．前
端、左右及上界面設(shè)定風(fēng)速方向的速度進(jìn)口，文中
根據(jù)新疆地區(qū)實(shí)際氣候環(huán)境分別模擬了8～36 In／s
各風(fēng)速下風(fēng)載分布情況 后端界面出口設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)
大氣壓。采用標(biāo)準(zhǔn)k-e紊流數(shù)值模型計(jì)算。
2．3 計(jì)算結(jié)果分析
圖4、圖5給出了30 m／s風(fēng)速流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)
果。由速度矢量分布(圖4(a))可以看出：儲(chǔ)罐表
面速度的流線為一個(gè)環(huán)繞著整個(gè)油罐的旋流．罐壁前
端迎風(fēng)面氣流速度相對(duì)較?。且?yàn)榭諝膺^(guò)流表面
作用使在左右壁面風(fēng)速變大．罐壁后端出現(xiàn)回流。氣
流速度減?。擦鲄^(qū)較長(zhǎng) 因?yàn)閮?chǔ)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(fēng)壓關(guān)于駐點(diǎn)線呈對(duì)稱分布 受來(lái)流
速度影響．罐壁外迎風(fēng)面約60~左右的罐壁上風(fēng)壓
最大(圖5(a)、(b))。罐壁外左右面因氣流速度較
大而受負(fù)壓作用(圖5(c))。由于氣流速度減?。?
罐壁后端風(fēng)壓較大 罐內(nèi)壁均呈負(fù)壓分布(圖5
(d))．但與外部風(fēng)壓相比較小。由于罐壁內(nèi)外的壓
差使得儲(chǔ)罐有受向罐心擠壓的趨勢(shì)．且整個(gè)罐壁所
受總風(fēng)載方向?yàn)轱L(fēng)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(chǔ)罐風(fēng)壓分布
3 結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度計(jì)算
3．1 模型建立
因?yàn)轱L(fēng)載相對(duì)于儲(chǔ)罐及其提升裝置均呈對(duì)稱分
布．所以對(duì)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)強(qiáng)度計(jì)算可以簡(jiǎn)化為對(duì)沿罐
壁方向受最大風(fēng)載的前后駐點(diǎn)兩關(guān)鍵處液壓裝置的
抗風(fēng)強(qiáng)度計(jì)算。液壓缸體的簡(jiǎn)化模型由缸筒、活
塞、導(dǎo)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(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)．在模型中將其粘
結(jié)為一體． 同樣將缸筒與導(dǎo)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(qiáng)度800 MPa：
導(dǎo)向套為青銅合金，屈服強(qiáng)度210 MPa；活塞為
45 鋼．屈服強(qiáng)度355 MPa。
缸筒 活塞 導(dǎo)向套 活塞桿
圖6 i毆壓缸簡(jiǎn)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(dǎo)向套與活塞桿以及活塞和缸筒
兩個(gè)接觸面 液壓缸承受的載荷主要包括儲(chǔ)罐重力
載荷以及橫向傳遞的風(fēng)載(見(jiàn)圖2)。對(duì)提升最后
一層壁板時(shí)的受力情況進(jìn)行計(jì)算(此時(shí)風(fēng)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(chǔ)罐倒裝法施工中風(fēng)載對(duì)安全性的影響 19
積和裝置提升罐壁重量最大)．圖7為儲(chǔ)罐沿風(fēng)向
受風(fēng)載的分布情況．駐點(diǎn)附近載荷最大，90。附近
風(fēng)載為零。這樣根據(jù)插值計(jì)算可求得駐點(diǎn)處載荷值
的大小。載荷通過(guò)撐桿直接作用在缸頂。
圖7 儲(chǔ)罐提升裝置的風(fēng)壓載荷分布
3．3 結(jié)果分析
對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行判別處理．為了顯示液壓缸體
內(nèi)部的應(yīng)力及變形情況，采用剖面顯示的方法。計(jì)
算結(jié)果如圖8、圖9和圖l0所示。
分別模擬8～36 rn／s風(fēng)速條件下的受力情況并
對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和整理，得到前后駐點(diǎn)處
液壓缸體各部件的最大應(yīng)力和頂部最大位移與風(fēng)速
變化的關(guān)系(見(jiàn)網(wǎng)l1)。
- ．614E-07
I 18．715
強(qiáng)曩圜 ；6．14
4
口舞80．44 72
口318．157
_ 336．872
圖8 液壓缸應(yīng)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(yīng)力云圖，MPa
由應(yīng)力位移圖分析可知：在無(wú)風(fēng)環(huán)境中，受
罐壁重力作用，前后液壓缸應(yīng)力值相等。對(duì)于前
500
400
要30o
20o
嘣100
O
對(duì)
豈
氌
斗<
略
圖10 液壓缸位移云圖／ram
0 10 2O 30 40
風(fēng)速／(m／s)
(a)前駐點(diǎn)液壓缸最大應(yīng)力
風(fēng)速／(m／s)
(b)后駐點(diǎn)液壓缸最大應(yīng)力
0 10 、 1 30
＼ ＼
缸
缸
風(fēng)速／(m／s)
(c)缸頂最大位移
圖1l 液壓缸各部件最大應(yīng)力、位移與風(fēng)速變化關(guān)系
駐點(diǎn)液壓缸各部件：當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)應(yīng)力隨風(fēng)速增
大而逐漸減?。谶_(dá)到最小值后．隨風(fēng)速繼續(xù)增
大應(yīng)力又快速增大 在風(fēng)速約32 m／s時(shí)導(dǎo)向套最
大應(yīng)力達(dá)ll2．2 MPa．安全系數(shù)較低．缸筒與活塞
桿約210 MPa．活塞應(yīng)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?yàn)楣薇谥亓Ψ至繉?duì)前駐點(diǎn)液壓缸的作用與風(fēng)載
對(duì)其作用力在同一直線上但方向相反．所以在較小
風(fēng)速階段． 由于罐壁重力分量大于風(fēng)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(fēng)速增大時(shí)液壓缸所受總載荷減小 當(dāng)風(fēng)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(fēng)速增大而迅速增大
對(duì)于后駐點(diǎn)液壓缸：因?yàn)楣薇谥亓Ψ至繉?duì)液
壓缸的作用與風(fēng)載對(duì)其作用力的方向始終保持一
致．所以各部件應(yīng)力和位移均隨風(fēng)速增大而增
大 液壓缸的最大應(yīng)力出現(xiàn)在導(dǎo)向套的上端。因
為受徑向風(fēng)載的影響．活塞桿發(fā)生橫向位移造成
對(duì)導(dǎo)向套的擠壓．因而導(dǎo)向套的安全系數(shù)低于其
他部件。導(dǎo)向套的作用也使得活塞的應(yīng)力較小，
變形也較小。由位移圖可知：在無(wú)風(fēng)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(dāng)風(fēng)速超過(guò)32 m／s時(shí)．后駐點(diǎn)液壓缸
最大位移達(dá)到50 mm
4 結(jié)論
對(duì)倒裝法液壓提升裝置的風(fēng)載有限元分析表
明：
(1)在倒裝法施工過(guò)程中．受風(fēng)的影響，儲(chǔ)罐
前端表面氣流速度較?。?jīng)過(guò)罐兩側(cè)過(guò)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(fù)壓。罐內(nèi)壁均為負(fù)壓．但與外部風(fēng)壓相比
較小。儲(chǔ)罐受到向罐心擠壓的作用．同時(shí)其整體所
受總風(fēng)載為風(fēng)速方向
(2)由于受罐壁重力分量和橫向風(fēng)載的作用，
活塞桿對(duì)缸體內(nèi)導(dǎo)向套的擠壓作用導(dǎo)致液壓缸導(dǎo)向
套部件的應(yīng)力值較大．安全系數(shù)較小 因此施工過(guò)
程應(yīng)重點(diǎn)注意保證液壓缸導(dǎo)向套部件的安全工作。
(3)前駐點(diǎn)液壓缸應(yīng)力先隨風(fēng)速增大而減小。
風(fēng)速超過(guò)一定值后又隨風(fēng)速增大而快速增大：后駐
點(diǎn)液壓缸應(yīng)力變化較前駐點(diǎn)液壓缸更平緩．但是其
應(yīng)力值較大 因此．儲(chǔ)罐安裝過(guò)程中應(yīng)時(shí)刻監(jiān)測(cè)這
兩點(diǎn)位置附近液壓提升裝置的安全性能
(4)風(fēng)速增大時(shí)液壓缸頂?shù)奈灰埔嘣龃筝^快。
對(duì)施工時(shí)的罐壁焊接會(huì)造成較大影響 建議在施工
中增加沿罐壁圓周對(duì)稱均勻分布的抗風(fēng)撐桿．以減
小儲(chǔ)罐位移
參考文獻(xiàn)：
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作者簡(jiǎn)介：陳科旭(1985一)， 男， 四川南充人，西南石油
大學(xué)在讀碩士研究生．主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)最大地下儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)取得階段性成果
截至2010年4月18日．長(zhǎng)慶科技工程公司承擔(dān)的國(guó)內(nèi)最大地下儲(chǔ)氣庫(kù)— — 長(zhǎng)慶油田儲(chǔ)氣庫(kù)工程．
完成概念設(shè)計(jì)和靖邊氣田陜45井區(qū)、榆林氣田南區(qū)儲(chǔ)氣庫(kù)前期評(píng)價(jià)及注采試驗(yàn)方案的編制工作，取得階
段性成果
中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司決定在長(zhǎng)慶油田建設(shè)120億m 的儲(chǔ)氣庫(kù)．使之成為中國(guó)最大的儲(chǔ)氣庫(kù)．以
此促進(jìn)中國(guó)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(yùn)銷(xiāo)儲(chǔ)平衡。
此次確定的陜45井區(qū)儲(chǔ)氣庫(kù)位于長(zhǎng)慶靖邊氣田中部，計(jì)劃年工作氣量120億m，，調(diào)峰天數(shù)120 d，
注氣時(shí)間220 d．平均日產(chǎn)氣1億ms。
本刊報(bào)道

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