大型LNG储罐网壳拱顶应力及动力特性分析

摘要

随着能源需求量的持续增长以及液化天然气(简称LNG)产业链的不断发展，中小型LNG储罐已不能满足储运需求，大型LNG储罐以其占地面积小，节省钢材、配件和便于操作管理等优势成为发展的必然趋势。而制约储罐大型化的关键因素之一就是储罐拱顶的大型化。拱顶的大型化给设计、制造和施工等方面带来了一些新问题，尤其是大跨度拱顶的结构设计、静载荷作用下的应力分析以及地震载荷作用下的动特性分析等方面，成为行业普遍关注的问题。
　　 鉴于此，本文首先从适用范围、储罐罐壁设计、储罐罐底结构设计、拱顶结构设计以及抗风圈的设计计算等方面对储罐标准GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》和API650-2012《钢质焊接石油储罐》进行对比，并通过计算，分析表明API650较GB50341更适合大型LNG储罐的设计;在标准对比分析的基础上，参考HG/T20517-1992《钢制低压湿式气柜》、GB50017-2003《钢结构设计规范》以及API650标准，完成了均布载荷与集中载荷共同作用下储罐网壳拱顶应力的理论推导。并以4×104m3LNG储罐为例，通过理论计算与数值模拟对比，分析得出4×104m3LNG储罐网壳拱顶的最外圈环向梁和径向梁中靠近拱脚的梁段受力较大，为网壳拱顶的危险截面。
　　 最后，应用有限元分析软件ANSYS对4×104m3LNG储罐进行了模态分析，得到了空罐和满罐两种工况下LNG储罐的固有频率、振动形式、位移变形量以及储液深度的变化对固有频率和振动形式的影响。并在此基础上，采用振型分解反应谱法对LNG储罐进行地震响应谱分析，得到了储罐网壳拱顶的位移与应力的响应状况:在水平方向的地震激励下，网壳拱顶竖直方向的位移变形大于水平方向的位移变形;水平、竖直方向位移变形的最大值均发生在网壳拱顶的顶部，并且沿拱顶径向逐渐减小;应力最大值发生在网壳拱顶蒙皮底部，远小于材料的许用应力，满足强度要求。
　　 通过这些关键问题的研究，一方面可以校核储罐设计的可靠性，保证储罐的安全运行，为工程实际提供理论基础和设计支持，另一方面对加速我国LNG储罐国产化设计、建设以及LNG储运业的良性发展意义重大。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 国内外LNG储罐发展状况

1．1．1 国外LNG储罐发展状况

1．1．2 国内LNG储罐发展状况

1．1．3 大型LNG储罐及其分类

1．2 国内外大型LNG储罐设计现状

1．2．1 国外大型LNG储罐设计现状

1．2．2 国内大型LNG储罐设计现状

1．3 大型LNG储罐网壳拱顶

1．3．1 大型LNG储罐网壳拱顶结构

1．3．2 大型LNG储罐网壳拱顶研究现状

1．4 大型LNG储罐抗震分析

1．4．1 国外锚固式储液罐抗震研究

1．4．2 国内大型LNG储罐抗震研究现状

1．5 本文研究工作

1．5．1 研究内容及工程背景

1．5．2 研究方法

1．5．3 研究意义

第2章 国内外储罐设计标准对比

2．1 适用范围

2．1．1 API650标准

2．1．2 GB50341标准

2．2 储罐罐壁

2．2．1 API650标准

2．2．2 GB50341标准

2．2．3 实例计算分析

2．3 储罐罐底结构

2．3．1 API650标准

2．3．2 GB50341标准

2．3．3 实例计算分析

2．4 拱顶结构

2．4．1 API650标准

2．4．2 GB50341标准

2．4．3 实例计算分析

2．5 抗风圈

2．5．1 API650标准

2．5．2 GB50341标准

2．5．3 实例计算分析

2．6 本章小结

第3章 大型LNG储罐网壳拱顶应力分析

3．1 大型LNG储罐经纬型网壳拱顶

3．2 经纬型网壳拱顶承受的载荷分类

3．3 大型LNG储罐网壳拱顶承受均布外载荷

3．3．1 节点载荷

3．3．2 径向梁

3．3．3 环向梁

3．4 大型LNG储罐网壳拱顶承受集中外载荷

3．4．1 集中载荷

3．4．2 径向梁

3．5 大型LNG储罐网壳拱顶的强度及稳定性校核

3．5．1 径向梁段的强度校核

3．5．2 径向梁段在弯矩作用平面内的稳定性校核

3．5．3 长细比校核

3．5．4 环向梁段的强度、稳定性、长细比校核

3．6 实例计算

3．6．1 结构参数

3．6．2 理论计算

3．7 有限元软件模拟

3．7．1 有限元法的基本原理及步骤

3．7．2 ANSYS软件模拟

3．7．3 理论计算与模拟结果对比及分析

3．8 本章小结

第4章 大型LNG储罐网壳拱顶动力特性分析

4．1 模态分析基本理论

4．1．1 模态分析

4．1．2 模态方程

4．1．3 预应力模态分析

4．1．4 预应力模态方程

4．2 大型LNG储罐模态分析

4．2．1 结构参数

4．2．2 空罐工况下的模态分析

4．2．3 满罐工况下的模态分析

4．2．4 两种工况的模态分析对比

4．3 响应谱分析基本理论

4．4 大型LNG储罐地震响应谱分析

4．4．1 响应谱分析基本参数

4．4．2 空罐工况下的地震响应分析

4．5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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