生產儲油平臺儲罐液體晃動分析

屈博志 李玉田

（中海油天津分公司LD27-2/32-2項目組，天津 300452）

LD27-2生產儲罐平臺PSP為集儲罐、工藝、電站和火炬的一體化平臺。根據旅大平臺和儲罐所處的環(huán)境工況，本文采用ANSYS軟件中的固液耦合的性能對該結構整體進行力學有限元計算，從而得到結構在所處的環(huán)境工況下的力學響應，為項目決策提供理論計算依據。

1 理論分析

1.1 瞬態(tài)動力學分析

瞬態(tài)動力學方法又被成為時間歷程方法，是一種確定結構在時間相關的載荷作用下的動態(tài)響應的技術方法。采用這種分析方法可以確定隨時間變化的位移、應變、應力，以及結構在任何靜態(tài)、動態(tài)、諧相應載荷的聯(lián)合作用下的響應。

瞬態(tài)動力學分析的基本方程式為：

(M){a}+(C){v}+(K){u}={F(t)}

其中：

(M)=質量矩陣

(C)=阻尼矩陣

(K)=剛度矩陣

{a}=節(jié)點加速度矢量

{v}=節(jié)點速度矢量

{u}=節(jié)點位移矢量

{F(t)}=載荷矢量

在任何給定的時間t，這些方程可以認為是一組考慮慣性力(M){a}和阻力(C){v}的準靜態(tài)平衡方程。ANSYS程序使用Newmark時間積分方法或者一種稱為HHT的改進方法，在離散的時間點上來求解這些方程。在連續(xù)的時間點之間的時間增量稱作積分時間步長。

1.2 液體載荷的計算依據

儲罐中的原油在受到載荷作用時，會產生晃動，這種晃動會對儲槽壁面和底面以及固體支撐結構的受力狀況造成一定的影響。

ANSYS軟件中專門有一種單元FLUID80適用于計算處理液體晃動問題。該流體單元由8個節(jié)點構成，每個節(jié)點具有3個自由度。FLUID80流體單元主要用來模擬沒有凈流率、盛裝在容器中的流體。這種單元還特別適用于計算流體固體相互作用的靜水壓強問題，并且可以考慮加速度效應，特別適合于處理流體晃動問題，同時還可以考慮溫度對粘度和阻尼的影響作用。

1.3 固液耦合的計算依據

對于旅大平臺上的原油儲罐，其內部流體所受的載荷是由平臺結構傳導而來：平臺在各種載荷的作用下產生隨時間變化的各個方向的位移，這些位移可以分解為3個自由度的分量。

在計算液體晃動力學問題的過程中，一方面，要把每個時間點上殼體單元各個節(jié)點的3自由度位移，實時地傳遞給儲槽中液體邊界處各個節(jié)點的3自由度位移，就可以計算在外載荷作用下液體的晃動位移、速度等物理參量；而另一方面，獲得了液體單元在外載荷下的響應之后，也將液體的位移傳遞到外圍的殼體節(jié)點之上，殼體單元則可以通過該位移和材料模量、泊松比等參數，得到殼體自身的應力響應。圖2所示為固液耦合作用計算流程圖。

2 模型建立

LD27-2PSP平臺儲罐外壁為波紋板結構，有限元建模過程選用SHELL63單元模擬儲罐外壁；PIPE59模擬儲罐支撐構件；FLIUD80模擬儲罐內儲液。

3 計算結果及分析

3.1 粘度選擇

由于儲罐內的原油粘度不是一個恒定值，為了論證不同粘度水平對波高的影響，本報告選取了水平振幅40cm，垂直振幅1cm，對不同粘度的原油進行了模擬。結果如下表1所示，沒有顯著區(qū)別。

3.2 液體晃動沖擊壓強分析

通過選取了水平振幅50cm，垂直振幅1cm，對滿罐工況條件下不同周期激勵源激勵狀態(tài)下的罐內液體運動模式進行了有限元瞬態(tài)動力學分析，取得了罐壁沖擊壓強變化指數。

?

1）x=50cm,y=1cm 激勵周期4.5s

2）x=50cm,y=1cm 激勵周期9s

根據晃動沖擊壓強數值顯示，最大值 Pmax=1477.67Pa；無自重的液體晃動所產生的對罐側壁的液動沖擊壓強，占儲罐整體結構應力的極小部分。

4 結論和建議

PSP平臺設置了13000方的原油儲罐，平臺在外輸油輪靠泊以及地震外力作用下會出現(xiàn)周期性的整體位移，當平臺出現(xiàn)位移時，儲罐內液體即發(fā)生整體波動，本文介紹了儲罐內儲液固液耦合的計算方法和步驟。

4.1 從流體動力學原理出發(fā)，計算結果表明儲罐原油在振動工況作用下潛在2種情況，一是液體表面出現(xiàn)跳動性激蕩；二是液體整體波動現(xiàn)象。

4.2 儲液晃動分析可以模擬分析平臺整體在一定位移條件下，儲罐內整體液體晃動的情況。

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