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储罐倒装法施工中风载对安全性的影响

文档作者：陈科旭陈次昌张平2 张涛3 杨建强2 文档来源： (1．西南石油大学机电工程学院 2．新疆石油工程建设有限责任公司 3．西南石油大学石油工程学院		点击数：	更新时间： 2021年10月17日
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16 石油工程建设 2010年6月
陈科旭 ，陈次昌 ，张 平2，张 涛3，杨建强2
(1．西南石油大学机电工程学院，四川成都610500；2．新疆石油工程建设有限责任公司，新疆克拉玛依834000
3．西南石油大学石油工程学院，四川成都610500)
摘 要：新疆地区气候环境特殊，春冬季易出现瞬时最大风速超过40 n1／s的大风．这给大型储罐倒
装法施工带来挑战。文章采用计算流体动力学(CFD)技术对施工中风对储罐产生的作用力进行了
数值模拟．并通过对液压提升装置结构强度的有限元数值计算．得到了该装置各部件的应力和位移
随风速变化的关系。结果表明，储罐迎风面外壁在约60~范围内受正压，其他部分受负压．罐内壁
均为负压，但与外部风压相比较小，储罐受到向罐心挤压的作用；由于受罐壁重力分量和横向风载
的作用，活塞杆对缸体内导向套产生了挤压作用，由此导致导向套部件的应力值较大． 因此施工过
程应重点保证液压缸导向套部件的安全工作
关键词：大型储罐；倒装法施工；液压提升；风载：有限元分析
中图分类号：TE972．1 文献标识码：A 文章编号：1001—2206(2010)03—0016—05
O 引言
储罐的施工方法主要有正装法和倒装法两种
在早期的储罐安装中，正装法虽得到广泛应用．但
因其高空作业量大．安全性和施工效率低等缺点．
因而阻碍了其快速发展 与正装法相比．倒装法具
有低空作业、操作方便和安全性高等突出的优点Ⅲ
随着储罐向大型化发展。研发大型储罐的倒装施工
工艺，已成为一种必然趋势。新疆油气资源丰富．
同时又是海外人华油气管道的必经之地．因此．在
此建设大型储罐工程已成为国家战略石油储备计划
的重要组成部分。但是由于新疆地区气候环境特
殊，春冬季易出现高达l2级、瞬时最大风速超过
40 rn／s的大风．这给大型储罐工程建设带来挑战
·+ -+ -+ --+ 一+ 一十一—+一-—+一-+ *—— *—· -+ ”—·+一-+ “+ 一+ 一+ 一
目前国内外对储罐的抗风设计和对安装完成
的储罐风载分析等都有不同程度的研究[2_ ．文
献『21中通过采用大量简化条件和经验数据推
出了储罐风载分布的理论计算公式 Portela G
等对圆柱薄壳结构进行了一系列风洞试验及数
值分析 但目前国内基本还没有采用计算流体
动力学(CFD)及有限元方法对大型储罐倒装法
施工过程中液压提升装置结构强度进行风载分
析。由于大型储罐倒装法施工工艺特殊．因而通
过对大风环境下储罐倒装施工中罐内外流场的研
究．进而对倒装法施工中风载对安全性的影响进
行评价显得尤为重要 本文采用计算流体动力学
(CFD)方法对10万m 大型储罐的风载荷进行了
— 。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]．中国科学院
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面工程，2001，(3)：1-5．
作者简介：刘 红(1964一)， 女， 辽宁铁岭人， 工程师，
1987年毕业于辽阳石油化工专科学校．现从事海洋石油工
程工作
收稿日期：2010—03—05
￥ ￥ ￥ ￥ ￥
★ ★ ★ ★ ★ ★
第36卷第3期 陈科旭等：储罐倒装法施工中风载对安全性的影响 l7
数值模拟计算．并对关键处的液压装置进行了风
载有限元强度计算．研究了施工中风载对设备安
全性的影响．这对提高储罐安装的施工安全性和
施工效率有重要的实际意义
1 储罐倒装结构
液压提升倒装法是采用以液压千斤顶为主体．
配以不同型号的液压泵站和液压管路系统配件等组
成的大型储罐液压提升成套设备进行储罐施工的方
法 新疆石油工程建设公司的10万m 大型浮顶储油
罐的倒装法施工采用了6O个液压装置均布于储罐内
壁圆周方向．如图1所示 施工时．先安装顶层壁
板．用液压提升设备提升后．从上至下逐层安装下层
壁板，最后安装底层壁板。提升过程中，提升装置将
承受罐壁的所有重力作用 施工中遇大风时．巨大的
风压也将作用在罐壁上进而将力传递到提升装置上．
从而由于罐壁重力和风压的双重作用而造成结构的失
稳、变形、失效甚至破坏，对施工安全和工程进度造
成影响．甚至可能导致重大的安全事故 目前防范的
措施主要是加抗风圈等设施和避开大风天气进行施
工 液压提升装置结构受力简图如图2所示
图1 倒装法施工液压提升装置的分布情况
液压缸体＼
、
／ ，抽瓤
／ 罐底 — —
图2 提升装置结构及受力简图
2 风载分析
2．1 几何模型及网格
因为在施T中罐壁为逐层焊接安装．且加强圈
等装置对储罐风载荷的分布影响相对较小．所以储
罐模型可以简化为薄壁圆筒结构．图3为10万m，
储罐模型与计算空间网格划分示意 计算空间为长
方体结构．其前端和左右界面分别距罐壁前端l倍
储罐直径，后端界面距罐壁后端3倍储罐直径．顶
部界面距罐顶20 m．底面与罐底面一致 因为非
结构网格是一种无规则随机的网格结构．具有很好
的灵活性和适应性．易于在流场变化剧烈的区域随
意加密网格．尤其对具有复杂边界的流场计算问题
特别有效 本文的储罐结构采用非结构四面体网格
对整个流场进行划分 网格数40万
一 (b) 计算空I司及网格
图3 几何模型网格划分示意
2．2 边界条件及数值模型
将计算空间的底面和罐壁都简化为壁面．前
端、左右及上界面设定风速方向的速度进口，文中
根据新疆地区实际气候环境分别模拟了8～36 In／s
各风速下风载分布情况 后端界面出口设定为标准
大气压。采用标准k-e紊流数值模型计算。
2．3 计算结果分析
图4、图5给出了30 m／s风速流场数值模拟结
果。由速度矢量分布(图4(a))可以看出：储罐表
面速度的流线为一个环绕着整个油罐的旋流．罐壁前
端迎风面气流速度相对较小．但是因为空气过流表面
作用使在左右壁面风速变大．罐壁后端出现回流。气
流速度减小．尾流区较长 因为储罐上方气流速度较
快且受罐壁影响，在罐内形成漩涡气流(图4(b))。
罐内外的风压关于驻点线呈对称分布 受来流
速度影响．罐壁外迎风面约60~左右的罐壁上风压
最大(图5(a)、(b))。罐壁外左右面因气流速度较
大而受负压作用(图5(c))。由于气流速度减小．
罐壁后端风压较大 罐内壁均呈负压分布(图5
(d))．但与外部风压相比较小。由于罐壁内外的压
差使得储罐有受向罐心挤压的趋势．且整个罐壁所
受总风载方向为风速向即 方向
18 石油工程建设 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)
图4 速度矢量分布图
l 一2 17e+02
(a)静压分布／Pa
(b)静压分布截面，Pa
(c)总压分布／Pa
Z
Y
I x
(d)总压分布截面／Pa
图5 储罐风压分布
3 结构有限元强度计算
3．1 模型建立
因为风载相对于储罐及其提升装置均呈对称分
布．所以对结构的抗风强度计算可以简化为对沿罐
壁方向受最大风载的前后驻点两关键处液压装置的
抗风强度计算。液压缸体的简化模型由缸筒、活
塞、导向套以及活塞杆组成【6J，如图6所示。由于
活塞和活塞杆之间没有相对运动．在模型中将其粘
结为一体． 同样将缸筒与导向套粘结 采用
Solid95四面体单元扫掠方式划分网格。材料：液
压缸缸筒和活塞杆为27SiMn，屈服强度800 MPa：
导向套为青铜合金，屈服强度210 MPa；活塞为
45 钢．屈服强度355 MPa。
缸筒 活塞 导向套 活塞杆
图6 i殴压缸简化模型
3．2 边界条件
在液压缸本体底端和中间拉杆平衡支撑两处加
上固定约束 建立导向套与活塞杆以及活塞和缸筒
两个接触面 液压缸承受的载荷主要包括储罐重力
载荷以及横向传递的风载(见图2)。对提升最后
一层壁板时的受力情况进行计算(此时风压作用面
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 陈科旭等：储罐倒装法施工中风载对安全性的影响 19
积和装置提升罐壁重量最大)．图7为储罐沿风向
受风载的分布情况．驻点附近载荷最大，90。附近
风载为零。这样根据插值计算可求得驻点处载荷值
的大小。载荷通过撑杆直接作用在缸顶。
图7 储罐提升装置的风压载荷分布
3．3 结果分析
对分析结果进行判别处理．为了显示液压缸体
内部的应力及变形情况，采用剖面显示的方法。计
算结果如图8、图9和图l0所示。
分别模拟8～36 rn／s风速条件下的受力情况并
对计算结果进行数据读取和整理，得到前后驻点处
液压缸体各部件的最大应力和顶部最大位移与风速
变化的关系(见网l1)。
- ．614E-07
I 18．715
强曩圜 ；6．14
4
口舞80．44 72
口318．157
_ 336．872
图8 液压缸应力云图[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
图9 XY面剖视应力云图，MPa
由应力位移图分析可知：在无风环境中，受
罐壁重力作用，前后液压缸应力值相等。对于前
500
400
要30o
20o
嘣100
O
对
岂
氇
斗<
略
图10 液压缸位移云图／ram
0 10 2O 30 40
风速／(m／s)
(a)前驻点液压缸最大应力
风速／(m／s)
(b)后驻点液压缸最大应力
0 10 、 1 30
＼ ＼
缸
缸
风速／(m／s)
(c)缸顶最大位移
图1l 液压缸各部件最大应力、位移与风速变化关系
驻点液压缸各部件：当风速较小时应力随风速增
大而逐渐减小．在达到最小值后．随风速继续增
大应力又快速增大 在风速约32 m／s时导向套最
大应力达ll2．2 MPa．安全系数较低．缸筒与活塞
杆约210 MPa．活塞应力值最小，为74．8 MPa；其
位移也先由大变小再增大，如图11(c)所示。这
是因为罐壁重力分量对前驻点液压缸的作用与风载
对其作用力在同一直线上但方向相反．所以在较小
风速阶段． 由于罐壁重力分量大于风载荷．因而随
6 2 7
钙
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，浍 喵
石油工程建设 2010年6月
风速增大时液压缸所受总载荷减小 当风载增大至
与罐壁重力分量大小相等后．液压缸所受总载荷将
随风速增大而迅速增大
对于后驻点液压缸：因为罐壁重力分量对液
压缸的作用与风载对其作用力的方向始终保持一
致．所以各部件应力和位移均随风速增大而增
大 液压缸的最大应力出现在导向套的上端。因
为受径向风载的影响．活塞杆发生横向位移造成
对导向套的挤压．因而导向套的安全系数低于其
他部件。导向套的作用也使得活塞的应力较小，
变形也较小。由位移图可知：在无风环境中，液
压缸仅承受罐壁重力分量．液压缸顶最大位移为
28．03 mm．当风速超过32 m／s时．后驻点液压缸
最大位移达到50 mm
4 结论
对倒装法液压提升装置的风载有限元分析表
明：
(1)在倒装法施工过程中．受风的影响，储罐
前端表面气流速度较小．经过罐两侧过流表面流速
增大．在罐后形成一定回流区域．流速减小。罐内
出现漩涡流。罐外壁在约60~范围内受正压．其他
部分为负压。罐内壁均为负压．但与外部风压相比
较小。储罐受到向罐心挤压的作用．同时其整体所
受总风载为风速方向
(2)由于受罐壁重力分量和横向风载的作用，
活塞杆对缸体内导向套的挤压作用导致液压缸导向
套部件的应力值较大．安全系数较小 因此施工过
程应重点注意保证液压缸导向套部件的安全工作。
(3)前驻点液压缸应力先随风速增大而减小。
风速超过一定值后又随风速增大而快速增大：后驻
点液压缸应力变化较前驻点液压缸更平缓．但是其
应力值较大 因此．储罐安装过程中应时刻监测这
两点位置附近液压提升装置的安全性能
(4)风速增大时液压缸顶的位移亦增大较快。
对施工时的罐壁焊接会造成较大影响 建议在施工
中增加沿罐壁圆周对称均匀分布的抗风撑杆．以减
小储罐位移
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作者简介：陈科旭(1985一)， 男， 四川南充人，西南石油
大学在读硕士研究生．主要研究方向为流体机械设计与流
体输送理论及技术研究。
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-+
国内最大地下储气库设计取得阶段性成果
截至2010年4月18日．长庆科技工程公司承担的国内最大地下储气库— — 长庆油田储气库工程．
完成概念设计和靖边气田陕45井区、榆林气田南区储气库前期评价及注采试验方案的编制工作，取得阶
段性成果
中国石油天然气集团公司决定在长庆油田建设120亿m 的储气库．使之成为中国最大的储气库．以
此促进中国石油天然气业务快速、安全和有序发展，保障天然气产运销储平衡。
此次确定的陕45井区储气库位于长庆靖边气田中部，计划年工作气量120亿m，，调峰天数120 d，
注气时间220 d．平均日产气1亿ms。
本刊报道

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