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        污油罐結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化分析

        2018-07-10 03:21:04王海龍
        天津科技 2018年6期
        關(guān)鍵詞:加強筋罐體油罐

        王海龍

        (海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

        0 引 言

        作為生產(chǎn)裝置的配套儲存設施的污油罐主要用于接收石油化工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的不合格油品,有利于經(jīng)濟效益和社會效益的提升。但因其自身的結(jié)構(gòu)強度問題,發(fā)生泄漏進而引發(fā)火災、爆炸的生產(chǎn)安全事故近年來也開始增多[1-3],這些事故具有較大的隱蔽性,往往造成重大的經(jīng)濟損失和人員傷亡,因此污油罐的結(jié)構(gòu)強度問題應引起重視。

        本文以渤海地區(qū)的某項目為例,采用通用有限元軟件ANSYS對污油罐進行應力分析、強度校核和優(yōu)化設計。

        1 有限元分析

        1.1 有限元模型

        污油罐內(nèi)壁尺寸如表1所示:

        表1 模型設計參數(shù)Tab.1 Design parameters

        罐體幾何模型以及有限元模型如圖1所示:

        圖1 罐體模型Fig.1 Model of slop oil tank

        1.2 邊界條件

        罐體各面承受液體壓力:p=ρgh+p′

        上式中:p是計算壓力;ρ是液體密度;g是重力加速度;h是液面高度;p′是設計壓力。

        罐體底撬限制罐體豎向位移,罐體其他部位為自由端,不施加任何約束。

        1.3 結(jié)構(gòu)單元的選取

        以往工程項目采用 SHELL單元模擬加強筋,一方面存在建模工作量大,并且需要考慮加強筋與罐體表面連接處的共節(jié)點問題,建模條件受到限制;另一方面建模效率較低,特別是需要進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時,存在重復性的工作較多、耗時過長等弊端。而采用BEAM 單元模擬加強筋則能較好地解決相應問題,可重復性較好。

        另一方面網(wǎng)格劃分亦即網(wǎng)格密度與形狀是影響有限元分析結(jié)果和求解規(guī)模的重要因素,在罐體內(nèi)部的水平撐桿相交處使用SHELL單元產(chǎn)生的畸形網(wǎng)格會嚴重影響計算結(jié)果的準確性,由此帶來結(jié)構(gòu)用料的增加[4]。采用 BEAM 單元替代 SHELL單元,能顯著提高單元的質(zhì)量,如圖2所示,對應區(qū)域劃分后的單元全部為四邊形,局部應力由 529,MPa降為188,MPa,可見畸形單元對計算結(jié)果有重要的影響,會誤導計算人員對結(jié)果的判斷。

        圖2 網(wǎng)格劃分質(zhì)量Fig.2 Mesh quality

        2 計算結(jié)果優(yōu)化

        本文以渤海地區(qū)某項目污油罐為對象,通過選取合適的單元類型進而控制單元網(wǎng)格的劃分,以操作工況與試驗工況進行分析,其結(jié)果滿足工程設計規(guī)范的要求。

        2.1 正常操作工況

        正常操作工況對應設計壓力,其計算結(jié)果如圖3所示:

        圖3 罐體操作工況結(jié)果Fig.3 Operation condition result of slop oil tank

        2.2 試驗工況

        試驗工況對應試驗壓力,其計算結(jié)果如圖4所示:

        圖4 罐體試驗工況結(jié)果Fig.4 Test condition result of slop oil tank

        2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        表2列出了優(yōu)化前后污油罐壁厚的變化,雖然壁厚減小了,但消除畸形單元后應力并沒有增大,滿足了安全性、經(jīng)濟性的要求,達到了結(jié)構(gòu)輕量化的優(yōu)化設計目標。

        表2 壁厚優(yōu)化Tab.2 Optimization of thickness

        3 結(jié) 論

        本文采用通用有限元軟件 ANSYS對渤海地區(qū)某項目的污油罐進行了結(jié)構(gòu)分析,罐體結(jié)構(gòu)的模擬采用SHELL單元,而罐體加強筋采用BEAM單元,有限元網(wǎng)格劃分形狀規(guī)則,減小了罐壁的應力集中,污油罐的結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化,可供其他工程設計借鑒。

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