兩種支撐結構低溫儲罐的分析與對比

張為，姜濤，任立奎，梁嵬，馬國慶

（1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；2.吉林航空維修有限責任公司，吉林 132102）

近年來，隨著科學技術的不斷進步，液氬、液氮、液氧及液態二氧化碳廣泛應用于金屬冶煉、醫療、軍事、制糖工業、制堿工業、食品工業等行業中。經濟的迅速發展，低溫液化氣體的需求量不斷增加，對于儲存、運輸低溫液化氣體的低溫儲罐的需求日益增長的同時，對儲罐的要求也更加嚴格，如結構穩定性，材料的強度和剛度、低溫性能、結構焊接和維修以及不同結構應用場合等方面均有了更高的要求。有些要求的研究技術已經相當成熟，如低溫儲罐的焊接技術，在文獻［1］中就詳細介紹了儲罐用鋼的組織特性及焊接過程中材料組織狀態的轉變對低溫沖擊的影響；而文獻［2］又詳細分析了單個低溫儲罐出現事故的原因并給出合理的維修方法；除此之外，前人還分析了地震加速度變化［3］、介質熱響應［4］及介質腐蝕性［5］對整個低溫儲罐的影響。綜上所述，其中對于不同結構應用場合的問題還有待研究，因現在尚無相關標準、規范來明確規定各種結構更適用于何種環境或如何選擇應用場合［6］。本文就是針對此問題，對兩種不同支撐形式的低溫儲罐進行對比分析，給出比較合理的應用場合建議［7］。

1 兩種結構介紹

在本文中，所介紹的兩種結構型號分別為VT-130和VTW-80，表1中詳細介紹了這兩種結構。

從表1中可以明確的看出兩者之間的差異，尤其是在高度差異不大時兩者之間的重量相差較大，所以從節省材料或降低成本的角度來看［8］，更傾向于選擇VTW-80這種結構，但這并不代表VTW-80所有條件都優于VT-130。

表1 儲罐VT-130和VTW-80結構

1.1 有限元幾何模型及網格

本文中兩種立式低溫液化氣體儲罐整體結構都屬于薄壁結構，均應用SHELL181單元進行建模和分析［9］。圖1為兩種結構有限元模型。

圖1 有限元模型

1.2 載荷及邊界條件

1.2.1 載荷

兩種結構基礎設計載荷如表2所示。

表2 VT-130和VTW-80設計載荷

上表中兩種結構等效密度計算方法如下：

VT-130等效密度：內罐空重22462kg，最大充裝介質重163000kg，內罐密度即內罐總重等效密度為

VTW-80等效密度：內罐空重10600kg，最大充裝介質重111440kg，內罐密度，即內罐總重等效密度為

表3 VT-130不同高度的設計風壓

表4 VTW-80不同高度的設計風壓

VT-130及VTW-80的載荷工況相同，其中包括偶然工況、熱載荷工況、運輸工況及吊裝工況，總共11種工況。由于兩種結構的載荷工況較多，而且每種形式都很相似，所以本分析中將在11種工況中每類選取一種典型工況進行對比分析，選取的工況如下分別為工況1、工況2、工況3及工況4。

工況1：

偶然工況：設計壓力+靜載+0.7倍地震載荷

工況2：

熱載荷工況：熱載荷+設計壓力+靜載

工況3：

運輸工況：縱向方向2g加速度+重力加速度1g

工況4：

吊裝工況：垂直吊裝（沿著與約束方向相反加1g加速度）

1.2.2 邊界條件

兩種結構工況1、工況2分別約束在外裙座和支腿底端，工況3約束在外筒體鞍座上，工況4約束在外封頭上端吊耳上。

從保守角度考慮，在作風力載荷和地震載荷分析時，將載荷作用方向確定為指向單支腿方向［10］。

1.2.3 結果對比

工況1應力分布結果如圖2至圖5所示。

圖2 儲罐整體應力云圖

圖3 上端徑向拉桿應力云圖

圖4 內裙座和下端徑向拉桿應力云圖

圖5 裙座和支腿應力云圖

以上4組圖中可以看出，當結構受橫向地震載荷時，外裙座上的最大應力值僅為支腿上最大應力值的75%，而上端徑向拉桿不僅在個數量上相差一半，最大應力值也相差接近一半，從相差數據上可以得出，裙座支撐式要比支腿支撐式承受橫向載荷的能力更好，因而認為在多遇地震區域中，更偏向于應用裙座支撐式結構；而在罕遇地震區域中，一般會應用比較輕便的支腿支撐式結構。

工況2應力分布結果如圖6至圖8所示。

圖6 儲罐整體應力云圖

圖7 上端徑向拉桿應力云圖

圖8 內裙座和下端徑向拉桿應力云圖

以上3組圖中可以得出，結構在受熱載荷作用時，裙座支撐式結構主要承力結構為內裙座，而且兩者的上端徑向拉桿應力相差較大，相差接近40%，從而證明裙座支撐式結構在承受熱載荷能力上也比支腿支撐式要強很多，在文獻［11］中可知，儲罐加料過程中，內罐溫度降低，由于內部連接部件的限制，內罐不能自由伸縮而產生熱應力，這說明這兩種低溫儲罐中產生熱應力是不可避免的，所以應從承載熱應力能力上考慮的話首選裙座支撐式結構。

工況3應力分布結果如圖9至圖11所示。

圖9 儲罐整體應力云圖

圖10 上端徑向拉桿應力云圖

圖11 上端徑向拉桿應力云圖

以上結果顯示，立式低溫儲罐在運輸過程中，裙座支撐式結構上端徑向拉桿和內裙座上的應力強度相差71%，這會導致內罐在運輸過程中晃動較大而使上端徑向拉桿折斷，影響低溫儲罐正常操作。與裙座支撐式結構相比，支腿支撐式結構在運輸中上下端拉桿應力強度比較相近，并且上下均勻分布，是一種比較穩定的結構形式，所以在運輸時，支腿支撐式立式低溫儲罐優于裙座支撐式儲罐。

工況4應力分布結果如圖12所示。

圖12 儲罐整體應力云圖

在立式低溫儲罐起吊時，所加載的載荷只有低溫儲罐的重力加速度，因而云圖中產生的應力值完全是由低溫儲罐自身重力引起的，從應力強度分布云圖中可以看出，裙座支撐式儲罐結構的應力強度大于支腿支撐式儲罐結構，兩者之間的應力值相差將近23%，由此可以看出，裙座支撐式結構相較與支腿支撐式結構耗材量大，從經濟角度來看會優先選用支腿支撐式結構。

2 結論

針對如何正確使用立式低溫儲罐并給出合理的應用場合建議問題，提出了簡單的選擇方法。該方法通過對兩種支撐結構的立式低溫液化氣體儲罐進行分析和比較，結果發現，在承受地震載荷和溫度載荷情況下，裙座支撐式結構優于支腿支撐式結構；在運輸和吊裝過程中，輕便的支腿支撐式結構更勝于裙座支撐式結構。因此，在多數承受外力載荷（包括地震載荷、風力載荷、溫度載荷及組合載荷）工況下，裙座支撐式結構的強度和剛度均優于支腿支撐式結構，但裙座支撐式結構本身耗材較多，成本較高，且不便于進行運輸和吊裝。因而對于容量大的立式低溫儲罐，選擇裙座支撐式結構較好，而中小型的低溫儲罐選擇支腿支撐式結構較佳，從而得出所提出的選擇方法可用于立式低溫儲罐的工程應用。

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