王海龙

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

0 引 言

作为生产装置的配套储存设施的污油罐主要用于接收石油化工生产过程中产生的不合格油品，有利于经济效益和社会效益的提升。但因其自身的结构强度问题，发生泄漏进而引发火灾、爆炸的生产安全事故近年来也开始增多[1-3]，这些事故具有较大的隐蔽性，往往造成重大的经济损失和人员伤亡，因此污油罐的结构强度问题应引起重视。

本文以渤海地区的某项目为例，采用通用有限元软件ANSYS对污油罐进行应力分析、强度校核和优化设计。

1 有限元分析

1.1 有限元模型

污油罐内壁尺寸如表1所示：

表1 模型设计参数Tab.1 Design parameters

罐体几何模型以及有限元模型如图1所示：

图1 罐体模型Fig.1 Model of slop oil tank

1.2 边界条件

罐体各面承受液体压力：p=ρgh+p′

上式中：p是计算压力；ρ是液体密度；g是重力加速度；h是液面高度；p′是设计压力。

罐体底撬限制罐体竖向位移，罐体其他部位为自由端，不施加任何约束。

1.3 结构单元的选取

以往工程项目采用 SHELL单元模拟加强筋，一方面存在建模工作量大，并且需要考虑加强筋与罐体表面连接处的共节点问题，建模条件受到限制；另一方面建模效率较低，特别是需要进行结构优化时，存在重复性的工作较多、耗时过长等弊端。而采用BEAM 单元模拟加强筋则能较好地解决相应问题，可重复性较好。

另一方面网格划分亦即网格密度与形状是影响有限元分析结果和求解规模的重要因素，在罐体内部的水平撑杆相交处使用SHELL单元产生的畸形网格会严重影响计算结果的准确性，由此带来结构用料的增加[4]。采用 BEAM 单元替代 SHELL单元，能显著提高单元的质量，如图2所示，对应区域划分后的单元全部为四边形，局部应力由 529,MPa降为188,MPa，可见畸形单元对计算结果有重要的影响，会误导计算人员对结果的判断。

图2 网格划分质量Fig.2 Mesh quality

2 计算结果优化

本文以渤海地区某项目污油罐为对象，通过选取合适的单元类型进而控制单元网格的划分，以操作工况与试验工况进行分析，其结果满足工程设计规范的要求。

2.1 正常操作工况

正常操作工况对应设计压力，其计算结果如图3所示：

图3 罐体操作工况结果Fig.3 Operation condition result of slop oil tank

2.2 试验工况

试验工况对应试验压力，其计算结果如图4所示：

图4 罐体试验工况结果Fig.4 Test condition result of slop oil tank

2.3 结构优化

表2列出了优化前后污油罐壁厚的变化，虽然壁厚减小了，但消除畸形单元后应力并没有增大，满足了安全性、经济性的要求，达到了结构轻量化的优化设计目标。

表2 壁厚优化Tab.2 Optimization of thickness

3 结 论

本文采用通用有限元软件 ANSYS对渤海地区某项目的污油罐进行了结构分析，罐体结构的模拟采用SHELL单元，而罐体加强筋采用BEAM单元，有限元网格划分形状规则，减小了罐壁的应力集中，污油罐的结构得到了优化，可供其他工程设计借鉴。