污油罐結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化分析

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(shè)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(jìn)而引發(fā)火災(zāi)、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(yīng)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(jìn)行應(yīng)力分析、強度校核和優(yōu)化設(shè)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(shè)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(shè)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(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，存在重復(fù)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(yīng)問題，可重復(fù)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(yán)重影響計算結(jié)果的準(zhǔn)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(yīng)區(qū)域劃分后的單元全部為四邊形，局部應(yīng)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(dǎo)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(jìn)而控制單元網(wǎng)格的劃分，以操作工況與試驗工況進(jìn)行分析，其結(jié)果滿足工程設(shè)計規(guī)范的要求。

2.1 正常操作工況

正常操作工況對應(yīng)設(shè)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(yīng)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(yīng)力并沒有增大，滿足了安全性、經(jīng)濟性的要求，達(dá)到了結(jié)構(gòu)輕量化的優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)。

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(jìn)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(yīng)力集中，污油罐的結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，可供其他工程設(shè)計借鑒。