摘要：雨雪載荷過大往往導致復合材料浮頂產(chǎn)生大變形，影響外浮頂罐的安全運行。為研究復合材料浮頂在雨雪載荷下的力學響應與安全性，綜合考慮幾何、材料、邊界條件的影響，建立復合材料浮頂有限元模型，通過數(shù)值分析得到不同雨雪載荷下復合材料浮頂?shù)南鲁廖灰?、剪切強度、屈服強度、最大應變等參?shù)，并據(jù)此評價浮頂?shù)陌踩?。結果表明：在雨雪載荷作用下，浮頂呈現(xiàn)“下凹”形狀，且浮頂邊界發(fā)生滑動后，隨載荷增加浮頂發(fā)生整體下沉；非均勻載荷對浮頂?shù)淖冃闻c受力影響較大，當雪載值為0.9 kN/m2且在浮頂一側均勻分布時，浮頂存在“卡盤”風險；浮頂結構的Mises應力與應變安全系數(shù)在合理范圍內，在雨雪載荷下復合材料浮頂不發(fā)生強度與剛度破壞。

關鍵詞：外浮頂罐； 復合材料； 雨載； 雪載； 安全評價

中圖分類號：TE 88"" 文獻標志碼：A

引用格式：劉建國，侯念忠，朱秀星，等.雨雪載荷下20 000 m3復合材料浮頂安全評價［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2024，48（6）：201-209.

LIU Jianguo， HOU Nianzhong， ZHU Xiuxing， et al. Safety evaluation of" 20 000 m3 composite floating roof under rain and snow loads［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2024，48（6）：201-209.

Safety evaluation of" 20 000 m3 composite floating roof

under rain and snow loads

LIU Jianguo1， HOU Nianzhong2， ZHU Xiuxing1， LI Jian2， CUI Gan1， L Hongru2， XING Xiao1， ZHANG Shan2

（1.College of Pipeline and Civil Engineering in China University of Petroleum（East China）， Qingdao 266580， China；

2.Zhongyuan Oilfield Company， SINOPEC， Puyang 457165， China）

Abstract： Excessive rain and snow loads often lead to large deformation of the composite floating roof， affecting the safety operation of the external floating roof tank. To study the mechanical response and safety of the composite floating roof under rain and snow loads， a finite element model of the composite floating roof was developed， considering the effects of geometry， material and boundary conditions together. Numerical analyses were performed to obtain parameters such as the sinking displacement， the shear strength， the yield strength， and the maximum strain under various rain and snow loads. The safety of the floating roof was then evaluated based on these results. The results show that under rain and snow loads， the floating roof tends to take a \"concave\" shape. As the load increases， the floating roof sinks as a whole， especially after sliding at the floating roof boundary. Non-uniform loads significantly affect the deformation and forces experienced by the floating roof. For a snow load of 0.9 kN/m2 uniformly distributed on one side of the floating roof， there is a risk of \"chucking\". The Mises stress and strain safety coefficients of the floating roof structure remain within a reasonable range， indicating that the composite floating roof is not damaged due to strength and stiffness under rain and snow loads.

Keywords： external floating roof tank; composites; rain load; snow load; safety evaluation

隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，石油能源的戰(zhàn)略儲備已顯得舉足輕重

^［1］。存儲石油及其附屬加工品裝置是不可或缺的油田設備，大型立式圓柱形鋼制儲罐被廣泛應用于石油化工與海洋平臺領域。外浮頂結構是目前國內外大型油罐中最常用的一種結構形式，主要用于存儲原油等介質，現(xiàn)有大型外浮頂罐浮頂均為鋼制。國內外研究學者圍繞防止鋼制浮盤失效開展了許多數(shù)值計算工作。王炳波等^［2-7］建立了浮頂罐的有限元模型，研究了浮盤在靜載荷或準靜載荷下的屈曲問題。張國靜等^［8］采用有限元數(shù)值計算方法，建立20×104 m3儲罐的雙盤浮頂模型。有學者參考規(guī)范^［9-11］中規(guī)定對4種工況下的浮頂應力分布和下沉量進行有限元數(shù)值計算，雙盤浮頂承受250 mm積水為最極端工況，此時浮頂最大應力和最大下沉量均為4種工況下的最大值。隨著儲罐建設技術的進步，復合材料浮頂?shù)难芯颗c應用可解決金屬浮頂在使用中的腐蝕、變形、能耗高、維修費用大、碳排放污染等問題，保障儲罐安全高效運行。復合材料浮頂?shù)确墙饘俑№攽{借其優(yōu)勢有望逐漸替代鋼質浮頂^［12］，目前國內新型復合材料內浮盤使用較多，但國內外大型儲罐設計應用的主要標準包括API650、GB50341、SH3046等，對復合材料外浮頂結構的結構設計、強度計算等均未有詳細規(guī)定，新型復合材料外浮盤的應用處于起步階段，有進一步研究的價值。雖然目前國內外有關鋼制浮頂?shù)陌踩u價和設計標準已經(jīng)非常成熟，但這些標準規(guī)范和設計方法是否適用于復合材料浮頂，仍需要進一步的研究。另外，在承受雨雪載荷等外荷載作用過程中，復合材料浮頂?shù)膹姸仁欠駶M足國家標準規(guī)定的要求以及是否會發(fā)生“沉盤”，這些實際應用問題都需要進一步研究。筆者利用有限元軟件ANSYS，建立20000 m3復合材料外浮頂有限元模型，分析不同雨載和雪載工況下浮盤的力學響應，評價復合材料浮頂?shù)陌踩浴?/p>

1 浮頂模型建立

1.1 幾何模型

復合材料浮頂模型考慮了浮頂上下玻璃鋼層、中間蜂窩夾芯層、外邊界彈性密封層。轉動浮梯和邊緣擋板的結構以載荷的形式加以考慮。其中復合材料浮頂外徑為40000 mm，密封結構外徑為40500 mm，玻璃鋼層高度為5 mm，蜂窩夾芯層高度為80 mm，蜂窩夾芯結構孔徑為8 mm，蜂窩夾芯結構壁厚為0.4 mm，外邊界板高度為500 mm，轉動浮梯長度為13000 mm，轉動浮梯寬度為800 mm。圖1為浮頂整體與蜂窩夾芯層幾何模型。

1.2 材料模型

浮頂模型中包含玻璃鋼、蜂窩夾芯、鋼制材料3種類型，材料參數(shù)見表1。上層（玻璃鋼和蜂窩夾芯板層間）和下層（蜂窩夾芯板和鋼材層間）的剪切強度分別為17和15 MPa，罐內液體為原油，密度為850 kg/m3。

1.3 邊界條件

當浮頂漂浮于儲液表面時，其頂板為自由面，浮頂?shù)膫认尥ㄟ^導向柱得以實現(xiàn)。儲液與浮頂?shù)年P系是模型中最為核心的問題，儲液產(chǎn)生的液體壓力與浮頂浸入儲液的深度存在線性關系^［13-14］：

p=ρgh.（1）

式中，p為儲液對浮頂?shù)囊簤毫Γ琍a；ρ為儲液密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；h為浮頂浸入儲液深度，m。

在ANSYS軟件中Shell63單元具有模擬彈性地基的功能^［15］，設置彈性地基系數(shù)可模擬地基的沉降，彈性地基系數(shù)K0定義為產(chǎn)生單位長度的沉降量所需要的壓力，用公式K0=p/h表示。儲液對浮頂?shù)淖饔闷浔举|為液體壓力，浮頂在儲液上的沉降與其在彈性地基上的沉降類似，因此可以將儲液看作是一種彈性系數(shù)很小的一種地基，且K0=ρg，因此將彈性地基系數(shù)設置為儲液重度。

1.4 施加載荷

施加在浮頂?shù)妮d荷主要包括浮頂自身重力、浮頂邊界載荷、浮頂上方排水管與浮梯重力、雨載荷、雪載荷^［16-18］。

浮頂有限元模型中只考慮了浮頂與密封層，因此罐壁對浮頂?shù)募s束以載荷的形式施加在密封層圓周邊界上，該部分載荷包括彈性密封裝置與刮蠟裝置的重力、擋雨板的重力、密封裝置與罐壁的摩擦力。根據(jù)設計資料，彈性密封裝置、刮蠟裝置和擋雨板的重力分別為38.3、42.9和6.8 kN，密封裝置與管壁的滑動摩擦力為173.4 kN。

有限元模型中考慮了中央排水管和轉動浮梯的影響，以載荷的形式施加在浮頂?shù)南鄳恢?。根?jù)設計資料，中央排水管的重力為10.5 kN，轉動浮梯的重力為18.2 kN。

雨載荷以靜水壓力形式施加在浮頂表面，雪載荷根據(jù)GB50009《建筑結構荷載規(guī)范》^［19］中的相關規(guī)定，計算為

Sk=μrS0.（2）

式中，Sk為雪載荷標準值，kN/m2；μr為屋面積雪分布系數(shù)，按單跨雙坡屋面均勻分布，坡度小于25°，積雪分布系數(shù)取1；S0為基本雪壓，kN/m2。

基本雪壓系以當?shù)匾话憧諘缙教沟孛嫔辖y(tǒng)計所得50年一遇最大積雪的自重確定，河南境內，10年一遇、50 年一遇和100年一遇最大積雪的雪壓分別為0.3、0.45 和0.5 kN/m2。

1.5 網(wǎng)格模型

運用ANSYS的APDL語言編程實現(xiàn)了浮頂有限元模型網(wǎng)格的劃分。由于浮頂直徑遠遠大于厚度，因此采用殼體單元建立上、下兩層玻璃鋼的有限元模型，考慮蜂窩夾芯層尺寸非常小，結構為薄壁圓柱形狀，因此采用梁單元建立有限元模型。上下玻璃鋼殼單元與夾芯板梁單元設置為耦合約束，不同材質模型之間采用GLUE方法進行單元耦合。

采用掃略法對上下玻璃鋼層平面進行網(wǎng)格劃分，并通過編程實現(xiàn)夾芯板梁單元兩端結點的連接，得到復合材料浮頂?shù)挠邢拊w模型與浮頂局部網(wǎng)格模型（圖2），單元數(shù)量為8 278 156個。

2 雨雪載荷作用下復合材料浮頂力學分析

2.1 雨載荷作用下浮頂力學分析

浮頂上方經(jīng)常會沉積雨水，對浮頂結構的變形產(chǎn)生較大影響。在浮頂結構設計的有關規(guī)范中，要求浮頂結構在一定的降雨量情況下不能出現(xiàn)強度問題以及沉沒事故等^［20］。因此有必要對雨載荷作用下浮頂結構進行力學分析。浮頂緊急排水閥的高度為250 mm，浮頂積水的最大深度為250 mm。為研究積水深度對浮頂力學參數(shù)的影響規(guī)律，假設浮頂積水深度分別為20、25、50、100、150、200和250 mm。圖3為不同雨水深度浮頂?shù)奈灰圃茍D。由圖3可知，在自身載荷的作用下（積水深度為0 mm），

受到摩擦力的影響，浮頂邊緣產(chǎn)生微小下沉位移（3.1 mm），而浮頂中央產(chǎn)生55.9 mm下沉位移，因此浮頂呈現(xiàn)“下凹”形狀。隨著雨水積深不斷增加，作用在浮頂上的均布面載荷也逐步增大。當雨水積深達到20 mm時，增加的雨載荷促使浮頂邊緣產(chǎn)生滑動（邊緣下沉位移由3.1 mm增加到26.6 mm），而浮頂整體形態(tài)不發(fā)生變化（浮頂邊緣與中央的位移差為52.8 mm）。隨著積水深度繼續(xù)增加，浮頂下沉位移不斷增大，但由于浮頂處于滑動狀態(tài)，浮頂各點的位移是均勻增大的，因此浮頂保持“下凹”形狀，整體下沉。

以雨水深度為250 mm為例，圖4～8為浮頂上、下玻璃鋼層及中間蜂窩夾芯層的拉應力、彎曲應力、剪切應力、Mises應力及應變參數(shù)。由圖4～8可知：復合浮頂結構中，下層玻璃鋼的拉伸應力最大，為23.1 MPa；下層玻璃鋼的彎曲應力最大，為27.81 MPa；上層玻璃鋼的剪切應力最大，為3.48 MPa。應力最大值主要分布在距浮頂中心點半徑5.2 m的范圍內。從應力與應變兩個方面評價浮頂?shù)陌踩?。根?jù)浮頂?shù)氖芰顟B(tài)，選用第四強度理論評價浮頂?shù)膽Π踩?。浮頂整體結構Misses應力為22.4 MPa，上層玻璃鋼的Mises應力為34.8 MPa。根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)可知，浮頂整體的屈服應力為280 MPa，玻璃鋼的屈服應力為310 MPa，因此整體結構的應力安全系數(shù)為12.5，玻璃鋼層結構的應力安全系數(shù)為8.91，因此浮頂結構應力是安全的。浮頂整體結構的最大應變?yōu)?.17%，玻璃鋼層的最大應變?yōu)?.23%。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，浮頂整體的應變極限為3%，玻璃鋼的應變極限為3.5%，因此整體結構的應變安全系數(shù)為17.65，玻璃鋼層結構的應變安全系數(shù)為15.22，因此浮頂結構應變也是安全的。由此可知，在最大雨水深度為250 mm時，浮頂不發(fā)生強度與剛度破壞。

2.2 雪載荷作用下浮頂力學分析

雪載荷與雨載荷的不同之處在于，雪載荷在受到風力作用時會發(fā)生非均勻分布現(xiàn)象，這種非均布荷載作用在浮頂，極易造成浮頂發(fā)生側傾、卡盤等事故^［21-22］。

2.2.1 均勻雪載荷作用下

分別以河南境內10年一遇最大積雪（雪壓為0.3 kN/m2），50年一遇最大積雪（雪壓為0.55 kN/m2），100年一遇最大積雪（雪壓為0.65 kN/m2），國內50年一遇最大積雪（雪壓為0.9 kN/m2）為例，分析均勻雪載作用下浮頂力學響應。圖9為均勻雪載作用下的浮頂位移云圖。由圖9可知：均勻雪載與雨載荷作用下浮頂?shù)淖冃谓Y構類似，浮頂呈現(xiàn)中間下沉位移大，四周下沉位移小的“下凹”形狀。不同雪壓載荷作用下，浮頂中心最大位移與邊緣最小位移差都為68.5 mm，說明在雪載作用下浮頂發(fā)生滑動，整體下沉。雪載作用下，浮頂?shù)氖芰μ卣髋c雨載類似，下層玻璃鋼的拉伸應力最大，為24.6 MPa；下

層玻璃鋼的彎曲應力最大，為29.6 MPa；上層玻璃鋼的剪切應力最大，為2.96 MPa。結合浮頂材料的力學性能試驗數(shù)據(jù)可得，在均勻雪載作用下浮頂?shù)睦鞈?、彎曲應力與剪切應力都在安全范圍內。隨著雪壓載荷增加，浮頂下層玻璃鋼的Mises應力與應變小幅增加。浮頂整體的Mises應力為19.5 MPa（安全系數(shù)14.4），玻璃鋼層的最大Mises應力為36.7 MPa（安全系數(shù)8.4），浮頂整體的最大應變?yōu)?.124%（安全系數(shù)24.2），玻璃鋼層的最大應變?yōu)?.19%（安全系數(shù)18.42）。由此可得，在均勻雪載作用下浮頂是安全的，浮頂不發(fā)生強度與剛度破壞。

2.2.2 非均勻雪載荷作用下

降雪過程中，雪顆粒的運動若受到風的影響往往變的較為復雜，最終會在浮頂表面形成各種堆積形式。假設雪載以如圖10所示兩種方式非均勻分布，分別為：雪載荷均勻分布在浮頂?shù)囊粋?，雪壓為平均值?倍；雪載荷分布在浮頂一側，由浮頂中央到邊緣呈線性增加，雪壓最大值為平均值2倍。

圖11為雪壓平均值為0.9 kN/m2時非均勻雪載作用下浮頂位移云圖。由圖11可得，非均勻雪載作用下浮頂模型Xgt;0一側下沉位移明顯大于浮頂模型Xlt;0一側，浮頂?shù)淖冃斡忻黠@的側向下沉現(xiàn)象。表2為均勻雪載作用下浮頂下沉位移及變化規(guī)律。由表2可知：當雪載位于浮頂一側且均勻分布時（最大雪載為平均值2倍），浮頂模型Xgt;0一側下沉位移與Xlt;0一側下沉位移差為92.8 mm；當雪載位于浮頂一側且線性分布時（最大雪載為平均值2倍），浮頂模型Xgt;0一側下沉位移與Xlt;0一側下沉位移差為76.4 mm。

分析得到浮頂上、下玻璃鋼層及中間蜂窩夾芯層的拉伸應力、彎曲應力、剪切應力，見表3、4。由表3、4可得，當雪載在浮頂一側均勻分布時，浮頂各結構的拉伸應力、彎曲應力及剪切應力都逐漸增加，當雪壓平均值為0.9 kN/m2時，下層玻璃鋼的拉伸應力最大值為76.4 MPa；下層玻璃鋼的彎曲應力最大值為94.8 MPa；上層玻璃鋼的剪切應力最大值為13.2 MPa。當雪載在浮頂一側線性分布，且雪壓平均值為0.9 kN/ m2時，下層玻璃鋼的拉伸應力最大值為55.8 MPa，下層玻璃鋼的彎曲應力最大值為99.6 MPa，上層玻璃鋼的剪切應力最大值為12.3 MPa。

表5、6給出了非均勻雪壓載荷作用下浮頂結構的Mises應力與應變及安全評價結果。由表5、6可知，相比于均勻雪載，非均勻雪載作用下浮頂整體與玻璃鋼層的應力與應變都明顯增加。當雪載在浮頂一側均勻分布時，浮頂整體的最大Mises應力為36.8 MPa（安全系數(shù)7.61），玻璃鋼層的最大Mises應力為83.9 MPa（安全系數(shù)3.69），浮頂整體的最大應變?yōu)?.81%（安全系數(shù)3.71），玻璃鋼層的最大應變?yōu)?.57%（安全系數(shù)6.14）。當雪載在浮頂一側線性分布時，浮頂整體的最大Mises應力為37.1 MPa（安全系數(shù)7.54），玻璃鋼層的最大Mises應力為75.4 MPa（安全系數(shù)4.11），浮頂整體的最大應變?yōu)?.37%（安全系數(shù)8.1），玻璃鋼層的最大應變?yōu)?.47%（安全系數(shù)7.45）。由此可得，在非均勻雪載作用下浮頂不發(fā)生強度與剛度破壞。

3 結 論

（1） 在雨載與均勻雪載作用下浮頂呈現(xiàn)“下凹”形狀，且隨雨載與雪載增加，浮頂下沉位移不斷增大，但由于浮頂處于滑動狀態(tài)，浮頂各點的位移均勻增大，浮頂發(fā)生整體下沉。

（2） 在非均勻雪載作用下浮頂?shù)淖冃斡忻黠@的側向下沉現(xiàn)象，浮頂?shù)膽εc應變明顯增加；當雪載值為0.9 kN/m2時，浮頂兩側最大位移差達到93.6 mm，浮頂存在“卡盤”，甚至沉沒的危險。

（3） 從應力與應變兩個方面評價了雨雪載荷作用下浮頂?shù)陌踩?，在雨水深度?50 mm和國內50年一遇最大積雪（雪壓為0.9 kN/m2）作用下，浮頂不發(fā)生強度與剛度破壞。

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（編輯 沈玉英）