摘要：使用有限元分析软件ANSYS对某油田开发工程中所使用的3000m3玻璃钢储罐进行建模，建立了与储罐罐顶、罐壁、加强筋、抗风圈实际尺寸一致的计算模型，重点分析了储罐在设计内压、罐内液压、地震载荷、风载、雪载及集中载荷组合下的整体强度、刚度，并根据相应的标准对结构的安全性进行了评价，分析结果表明本玻璃钢储罐的设计是合理的，能够满足相应的力学和安全要求。
关键词：玻璃钢；储罐；有限元分析
中图分类号：TQ 052 文献标识码：A 文章编号：
1671-0460（2017）01-0098-04
玻璃钢储罐被广泛应用于油气田地面开发工程中，随着玻璃钢缠绕技术的问世，玻璃钢储罐得以向大型、大直径储罐方向发展，与传统的金属储油罐相比，大直径玻璃钢储罐具有耐腐蚀性能好、重量轻、保温效果好、不生锈、内表面光滑、可设计性强、电绝缘性能好、可修复性强、使用寿命长等特点。但是由于玻璃钢储罐在石油以外的行业应用面還比较窄，目前国内对于玻璃钢储罐的有限元分析方面的研究还比较少，相关的文献资料也不多。本文以某油田转油站污水回注工程的30003玻璃钢立式拱顶储罐为研究对象，对其进行了有限元结构计算及分析，计算的目的旨在校核储罐设计的安全性和合理性，并根据结构刚度、强度和稳定性计算结果调整设计铺层。
1 玻璃钢储罐的结构参数
3000m3玻璃钢储罐为立式拱顶储罐，其内径为21000mm，简体高度为9000mm，罐顶曲率半径为21630mm，罐顶壳与简体的过渡曲率半径为1000mm，其总体结构如图1所示。
2 几何建模和网格划分
本次有限元计算时详细结构参数为：储罐的罐顶（图2（a））、底板和罐体的内衬层厚度均为4mm，罐顶总厚度为26.7mm；罐顶上设有纵向加强筋和环向加强筋（图2（b））；其中，纵筋共32条，环筋共6条。底板总厚度为28mm，罐体各部分的厚度（包括内衬层4mm个结构层）自上向下依次为34mm（标高6.0～9.0m），49mm（标高3.0～6.0m），64mm（标高0.3～3.0m），152mm（标高0.0～0.3m，包含60mm厚的树脂砂浆层）。在4米和7米位置设置抗风圈（图2（c））整体有限元模型如图2（d）所示，计算模型中包含罐体（罐体中设备的重量等效到罐体上）、底板、罐顶底板支撑。模型中壳体采用SHELL181，罐顶加强筋采用BEAM188，底板支撑采用LINK10，罐体中设备采用MASS21。
3 材料性能
由于ANSYS材料库中没有玻璃钢这种材质，因此有限元计算中结构的材料参数主要根据实验值进行确定的，其值如表1所示。
4 载荷和边界条件
在本次计算过程中所考虑到的载荷主要包括储罐结构恒载、风载、雪载、储存液位静压力及罐顶所承受的集中载荷。
4.1 结构恒载
根据设计要求及玻璃钢厂家提供的数据，我们可知玻璃钢材质密度为1800kg/m3；呼吸阀设备重量为570kg；阻火器设备重量为600kg；爬梯重量为1126kg；液压安全阀为600kg；护栏重量为4035kg；储存液体密度为1050kg/m3；罐顶集中载荷假设为4人同时在罐顶进行操作工作，每个人的体重均以113.4kg考虑，分布于封头中央附近，结构恒载荷单元图如图3所示。
4.2 内液压
储罐内液压按静水压力考虑，本储罐的设计液位高度为8.4m，所储存的液体密度为1050kg/m3，其分布情况如图4所示。
4.3 风载荷及雪载荷
风载荷的作用方式以节点力的形式施加。雪荷载基本值按0.6kN/m2进行设计，其设计值为0.84kN/m2。储罐有限元模型中的风荷载、雪荷载图分别如图5、图6所示。
4.4 地震载荷
由于设计的地震烈度仅为7度，故地震荷载按水平加速度施加，大小为0.10g。此外，罐中液体，根据其质量（m"），折算等效质量，以质量点单元MASS21施加，等效质量m计算如式（1）：
m=Frm" （1）式中：m-储液等效质量，kg；
m"-储液设计质量，kg；
Fr-动液位系数。
其中，动液系数Fr依据HG20696-1999玻璃钢化工设备设计规定进行选取，因此Fr取为0.32。
5 计算结果分析
玻璃钢储罐在充满储液状态下承受结构恒载（结构及附件自重）、设计内压、罐顶负压及罐内液压、4人载荷、风载荷雪载、地震荷载作用下结构的强度、刚度计算结果如图7、图8、图9所示。
玻璃钢材料的强度判断准则采用许应变准则及运行荷载作用下的强度安全系数大于10倍，风、雪荷载及地震荷载作用下的强度安全系数大于5倍的准则进行判断。
由图7可以看出玻璃钢储罐在径向、环向、轴向最大应变为564×102-6，小于0.001。满足文献对玻璃钢材质的许应变的要求，即正常工况下许应变ε<[ε]=0.1%=0.001，同时由图8可以看出在该工况下的最大应力与强度的比值处在罐体底部区域，其最大值为0.081，由于1/0.081=1234>5，安全系数为12.34，满足文献对玻璃钢材质的安全系数的要求。因此本玻璃钢储罐的强度满足设计要求。
玻璃钢材料的刚度采用位移与直径之比进行确认，依据《ASMERTP-1-2015 Reinforced ThermosetPlastic Corrosion Resistant Equipment》标准的要求，玻璃钢材料的位移与直径之比应满足：u/D<[u/D]=0.005。由图9可以看出，玻璃钢储罐在最大位移发生在水平地震方向，变形值为4.96mm，则最大位移与直径之比为：
因此玻璃钢储罐的结构满足刚度设计要求。
6 结论
（1）运用有限元分析软件ANSYS建立了新疆某油田地面开发工程中使用的3000m3玻璃钢储罐罐体、罐顶、底板、加强筋、抗风圈实际尺寸相一致的有限元结构模型，在充分考虑结构恒载、罐内液压力、风载荷、地震载荷、雪载荷及集中载荷的组合条件下进行了应力分析及强度计算，从计算结果可以看出玻璃钢储罐的最大应变发生在储罐的径向，最大应变为564×104，远小于设计规范要求中的小于0.001要求，最大应力与强度的比值发生在罐体底部区域，其最大值为0.081，安全系数为12.34，满足设计规范中运行荷载作用下的强度安全系数为10倍的要求，最大位移发生在水平地震方向，变形值为4.96mm，最大位移与直径只比为0.00024，满足设计规范中小于0.005要求。通过以上计算机分析可以充分的证明本工程中所设计的玻璃钢储罐具有足够的安全裕度及可靠性。
（2）通过相应的试验研究可以证明，本次有限元分析的计算结果与试验所测定的值基本上相符，有限元分析的方法可以较好的分析出玻璃钢材质储罐的刚度及强度，从而为此类材质储罐的评价提供了较为便利的手段。