Análisis de confiabilidad sísmica de grandes tanques de almacenamiento
Grandes tanques de almacenamientoson ampliamente utilizados en el petróleo, la industria química, la explotación de gas natural y otros campos energéticos, y son dispositivos importantes para almacenar materiales energéticos estratégicos. La seguridad y estabilidad de los grandes tanques de almacenamiento de petróleo son claves para garantizar el normal funcionamiento de la economía nacional. Sin embargo, debido a factores incontrolables como los terremotos, los grandes tanques de almacenamiento pueden tener fugas y las pérdidas son inconmensurables. Para mejorar el rendimiento sísmico de los tanques de almacenamiento a gran escala, los investigadores nacionales han investigado mucho sobre varios tipos de tanques de almacenamiento, formulado ciertas teorías y mejorado la estabilidad del equipo.
Los académicos han estudiado el rendimiento de absorción de impactos de los tanques de almacenamiento esféricos utilizados en la industria petroquímica. El equipo de investigación agregó amortiguadores en la parte inferior de los tanques de almacenamiento para mejorar su estabilidad. En cuanto a los accesorios, las compuertas se pueden empotrar en el fondo de los acumuladores mediante tornillos. El uso de los amortiguadores ha mejorado significativamente el rendimiento de absorción de impactos de los tanques de almacenamiento. Los académicos analizaron la estructura de aislamiento de los grandes tanques de almacenamiento y exploraron el efecto de la estructura de aislamiento en el rendimiento de absorción de impactos de los grandes tanques de almacenamiento de GNL con anticipación. La investigación muestra que la capa de aislamiento puede mejorar la absorción de impactos y la confiabilidad de todos los tanques de almacenamiento hasta cierto punto. Los académicos se centran en el rendimiento sísmico y el rendimiento del aislamiento térmico de los tanques de almacenamiento a gran escala y analizan el índice sísmico de los tanques de almacenamiento supergrandes y la transferencia de calor del fluido en los tanques mediante simulación numérica, lo que proporciona una referencia teórica para optimizar el rendimiento sísmico de tanques de almacenamiento súper grandes.
Los académicos comparan la sacudida de diferentes tipos de grandes tanques de almacenamiento en terremotos y descubren la mejor estructura simulando el daño de diferentes tanques de almacenamiento en terremotos. Los académicos han estudiado el rendimiento de vibraciones antiperiódicas de los grandes tanques de almacenamiento, lo que proporciona una base teórica para el diseño de estabilidad de los tanques de almacenamiento verticales. Los académicos analizaron los datos de vibración de los tanques de almacenamiento a gran escala en terremotos, establecieron la biblioteca de respuesta de grado de rendimiento sísmico y completaron el diseño del sistema interactivo de sísmica de tanques, que proporcionó una referencia para la aplicación de confiabilidad de los tanques de almacenamiento a gran escala en ingeniería.
Con el fin de mejorar aún más la confiabilidad sísmica de los tanques de almacenamiento de petróleo verticales a gran escala en China, el desempeño sísmico de los tanques de almacenamiento de petróleo a gran escala se estudia mediante el método de simulación numérica combinado con la teoría del acoplamiento fluido-estructura, que proporciona una referencia para la sísmica. diseño de optimización de tanques de almacenamiento de petróleo a gran escala en el futuro.
1. Modelo matemático
Cuando el tanque vibra, el aceite y otros fluidos se sacudirán dentro del tanque de almacenamiento grande y reaccionarán con la pared interna del tanque. Además, la vibración provocará un efecto de corriente de Foucault en la reacción de acoplamiento del fluido y la estructura del fluido, lo que deformará el tanque e incluso conducirá a la falla del tanque en casos severos.
En la simulación dinámica del gran tanque vertical de almacenamiento de petróleo, es necesario establecer su modelo matemático. En este estudio, se debe aplicar la ecuación de dinámica de fluidos, la ecuación de Euler, la ecuación de continuidad y la ecuación de Bernoulli, en las que la ecuación de Bernoulli se deriva de la siguiente manera:
La ecuación de continuidad de este estudio es la siguiente:
Como software avanzado de mecánica de fluidos, el software Adina utilizado en este estudio tiene grandes ventajas en la simulación de campo de flujo, campo de acoplamiento fluido-sólido, mecánica de sólidos, campo de temperatura, campo de acoplamiento fluido-acústico, etc., y puede calcular mejor el complejo fluido- acoplamiento sólido y características dinámicas de grandes tanques de almacenamiento en este estudio.
2. Parámetros de diseño
Con el fin de explorar la influencia de diferentes profundidades de almacenamiento y niveles de vibración en el rendimiento de los grandes tanques de almacenamiento verticales, se estableció en Solidworks un modelo tridimensional simplificado de grandes tanques de almacenamiento de acuerdo con el tamaño real de los tanques. Debido a que parte de la estructura del tanque tiene poca influencia en los resultados de la simulación durante la simulación numérica, la estructura se puede simplificar parcialmente para reducir el número de cuadrículas y mejorar la eficiencia del cálculo.
En este estudio, se toman como objeto de investigación 100.000 metros cúbicos de un tanque de almacenamiento vertical de petróleo a gran escala, y los parámetros estructurales básicos del tanque se muestran en la Tabla 1. El tanque está hecho de 9 capas de placas de acero, con el espesor de la placa de borde siendo de 20 mm, siendo el espesor de pared del primer nivel de 34 mm, y siendo el espesor de pared del noveno nivel de 12 mm. El radio del tanque es de 40 mm, la altura del tanque es de 21,8 mm, el líquido dentro del tanque es petróleo, la profundidad máxima de almacenamiento de líquido es de 20,2 mm y la temperatura en las condiciones de diseño es de 68 ℃.
3. El establecimiento del modelo de simulación.
En la simulación numérica de grandes tanques de almacenamiento con diferentes profundidades de almacenamiento y diferentes niveles de vibración, es necesario establecer el modelo de simulación y dividir la cuadrícula. En este estudio, se seleccionan cinco profundidades diferentes de almacenamiento de líquidos, que son 40%, 50%, 60%, 70% y 80% de la profundidad máxima de almacenamiento de líquidos, respectivamente. Por lo tanto, es necesario establecer modelos de simulación de tanques con cinco profundidades diferentes de almacenamiento de líquidos antes de la simulación numérica. Los modelos tridimensionales simplificados de cinco tipos de tanques de almacenamiento se importan al software CFD para la división de la red. El almacenamiento de líquido se establece como dominio fluido, se adoptan diferentes tamaños de cuadrícula en diferentes partes del tanque, se adopta una cuadrícula hexaédrica de 50 mm en el dominio fluido, se adopta una cuadrícula tetraédrica de 45 mm en la superficie del tanque y una cuadrícula tetraédrica de 5 mm se adopta en la estructura compleja dentro del tanque. Después de completar la división de la red, es necesario verificar si la calidad de la red cumple con los requisitos del software de simulación en el software CFD. La calidad de la cuadrícula de los cinco modelos divididos en este estudio está por encima de 0,32, lo que puede cumplir con los requisitos de precisión de la simulación.
Después de completar la división de la cuadrícula, los modelos de cuadrícula de cinco tipos de grandes tanques de almacenamiento verticales se importan respectivamente al software Adina para la simulación numérica. Las condiciones límite de la simulación se establecen en el software Adina y se ingresan diferentes parámetros de grado de vibración. Se establecen cuatro tipos de parámetros de grado de vibración, que son 5,5 grados, 6,5 grados, 7,5 grados y 8,5 grados respectivamente. Ingrese los parámetros relevantes en la Tabla 1 y la Tabla 2 en el software de simulación, seleccione el fluido incompresible, que es una unidad no viscosa y sin transferencia de calor, y realice una simulación numérica después de configurar los parámetros relevantes.
4. Análisis de los resultados de la simulación numérica
Con el fin de comparar mejor los efectos de diferentes profundidades de líquido y diferentes grados de terremotos en el rendimiento de los tanques de almacenamiento de petróleo, se introducen en este estudio el índice de confiabilidad y el estrés vertical. Cuanto mayor es la tensión vertical, más grave es la deformación del tanque. Cuanto menor sea el índice de confiabilidad, más probable es que el tanque falle.
Al analizar los datos de tensión vertical del tanque en cinco condiciones de trabajo, se encuentra que con el aumento de la profundidad del líquido en el tanque, la tensión vertical del tanque de almacenamiento grande aumenta, la deformación del tanque se vuelve más grave y el tanque es más probable que fracase. En condiciones de diseño (el nivel de vibración es de 7,5 grados), la tensión vertical de grandes tanques de almacenamiento con diferentes profundidades de almacenamiento muestra que con el aumento de la profundidad de almacenamiento, la deformación del área externa del tanque aumenta obviamente.
Se puede ver a partir de las tendencias de la tensión vertical de los grandes tanques de almacenamiento con diferentes profundidades de almacenamiento y grados sísmicos que cuanto mayor sea la profundidad del líquido dentro del tanque, mayor será la tensión vertical de los grandes tanques de almacenamiento y menor el índice de confiabilidad. Cuando la profundidad del yacimiento es pequeña, la influencia del grado del terremoto en la fuerza radial es pequeña. Cuando la profundidad del líquido en el tanque alcance el 60 %, la influencia del grado sísmico en la fuerza radial mejorará significativamente, lo que conducirá fácilmente a un índice de confiabilidad por encima del límite y la falla del tanque. Cuando la profundidad del líquido dentro del tanque es la misma, cuanto mayor sea el nivel del terremoto, mayor será la tensión vertical de los grandes tanques verticales de almacenamiento de petróleo y menor será el índice de confiabilidad.
Cuando la profundidad de almacenamiento de líquidos es del 60 %, la tensión vertical de los grandes tanques de almacenamiento con diferentes grados sísmicos muestra que la tensión vertical aumenta significativamente con el aumento del grado sísmico, lo cual es consistente con la tendencia mencionada anteriormente.
5. Conclusión
Para explorar la confiabilidad sísmica de los tanques de almacenamiento de petróleo a gran escala, el software Adina simuló numéricamente el desempeño sísmico de los tanques de almacenamiento de petróleo a gran escala combinado con la teoría del acoplamiento fluido-estructura, y se introdujeron los índices de confiabilidad y tensión vertical para explorar los efectos de diferentes profundidades de líquido y diferentes grados sísmicos en el rendimiento de los tanques de almacenamiento de petróleo, lo que proporcionó una referencia para futuras investigaciones sobre la confiabilidad sísmica de los tanques de almacenamiento de petróleo a gran escala. Las principales conclusiones de este estudio son las siguientes:
(1) La profundidad del líquido y el grado sísmico tienen una influencia significativa en la confiabilidad de los grandes tanques verticales de almacenamiento de petróleo.
(2) Cuando el nivel del terremoto es el mismo, cuanto mayor sea la profundidad del líquido dentro del tanque, mayor será la tensión vertical del tanque de almacenamiento grande.
(3) Cuando la profundidad del almacenamiento de líquido es pequeña, la influencia del grado del terremoto en la fuerza radial es pequeña. Cuando la profundidad del líquido en el tanque alcanza el 60%, la influencia del grado sísmico en la fuerza radial mejora significativamente, lo que hace que el índice de confiabilidad supere el límite y el tanque falle.
(4) Cuando la profundidad del líquido dentro del tanque es constante, cuanto mayor sea el grado del terremoto, mayor será la tensión vertical del gran tanque vertical de almacenamiento de petróleo y menor será el índice de confiabilidad.
(5) Para garantizar la fiabilidad de los grandes tanques de almacenamiento de petróleo, la profundidad del líquido dentro de los tanques debe ser inferior al 60 % en el diseño.
Los académicos han estudiado el rendimiento de absorción de impactos de los tanques de almacenamiento esféricos utilizados en la industria petroquímica. El equipo de investigación agregó amortiguadores en la parte inferior de los tanques de almacenamiento para mejorar su estabilidad. En cuanto a los accesorios, las compuertas se pueden empotrar en el fondo de los acumuladores mediante tornillos. El uso de los amortiguadores ha mejorado significativamente el rendimiento de absorción de impactos de los tanques de almacenamiento. Los académicos analizaron la estructura de aislamiento de los grandes tanques de almacenamiento y exploraron el efecto de la estructura de aislamiento en el rendimiento de absorción de impactos de los grandes tanques de almacenamiento de GNL con anticipación. La investigación muestra que la capa de aislamiento puede mejorar la absorción de impactos y la confiabilidad de todos los tanques de almacenamiento hasta cierto punto. Los académicos se centran en el rendimiento sísmico y el rendimiento del aislamiento térmico de los tanques de almacenamiento a gran escala y analizan el índice sísmico de los tanques de almacenamiento supergrandes y la transferencia de calor del fluido en los tanques mediante simulación numérica, lo que proporciona una referencia teórica para optimizar el rendimiento sísmico de tanques de almacenamiento súper grandes.
Los académicos comparan la sacudida de diferentes tipos de grandes tanques de almacenamiento en terremotos y descubren la mejor estructura simulando el daño de diferentes tanques de almacenamiento en terremotos. Los académicos han estudiado el rendimiento de vibraciones antiperiódicas de los grandes tanques de almacenamiento, lo que proporciona una base teórica para el diseño de estabilidad de los tanques de almacenamiento verticales. Los académicos analizaron los datos de vibración de los tanques de almacenamiento a gran escala en terremotos, establecieron la biblioteca de respuesta de grado de rendimiento sísmico y completaron el diseño del sistema interactivo de sísmica de tanques, que proporcionó una referencia para la aplicación de confiabilidad de los tanques de almacenamiento a gran escala en ingeniería.
Con el fin de mejorar aún más la confiabilidad sísmica de los tanques de almacenamiento de petróleo verticales a gran escala en China, el desempeño sísmico de los tanques de almacenamiento de petróleo a gran escala se estudia mediante el método de simulación numérica combinado con la teoría del acoplamiento fluido-estructura, que proporciona una referencia para la sísmica. diseño de optimización de tanques de almacenamiento de petróleo a gran escala en el futuro.
1. Modelo matemático
Cuando el tanque vibra, el aceite y otros fluidos se sacudirán dentro del tanque de almacenamiento grande y reaccionarán con la pared interna del tanque. Además, la vibración provocará un efecto de corriente de Foucault en la reacción de acoplamiento del fluido y la estructura del fluido, lo que deformará el tanque e incluso conducirá a la falla del tanque en casos severos.
En la simulación dinámica del gran tanque vertical de almacenamiento de petróleo, es necesario establecer su modelo matemático. En este estudio, se debe aplicar la ecuación de dinámica de fluidos, la ecuación de Euler, la ecuación de continuidad y la ecuación de Bernoulli, en las que la ecuación de Bernoulli se deriva de la siguiente manera:
La ecuación de continuidad de este estudio es la siguiente:
Como software avanzado de mecánica de fluidos, el software Adina utilizado en este estudio tiene grandes ventajas en la simulación de campo de flujo, campo de acoplamiento fluido-sólido, mecánica de sólidos, campo de temperatura, campo de acoplamiento fluido-acústico, etc., y puede calcular mejor el complejo fluido- acoplamiento sólido y características dinámicas de grandes tanques de almacenamiento en este estudio.
2. Parámetros de diseño
Con el fin de explorar la influencia de diferentes profundidades de almacenamiento y niveles de vibración en el rendimiento de los grandes tanques de almacenamiento verticales, se estableció en Solidworks un modelo tridimensional simplificado de grandes tanques de almacenamiento de acuerdo con el tamaño real de los tanques. Debido a que parte de la estructura del tanque tiene poca influencia en los resultados de la simulación durante la simulación numérica, la estructura se puede simplificar parcialmente para reducir el número de cuadrículas y mejorar la eficiencia del cálculo.
En este estudio, se toman como objeto de investigación 100.000 metros cúbicos de un tanque de almacenamiento vertical de petróleo a gran escala, y los parámetros estructurales básicos del tanque se muestran en la Tabla 1. El tanque está hecho de 9 capas de placas de acero, con el espesor de la placa de borde siendo de 20 mm, siendo el espesor de pared del primer nivel de 34 mm, y siendo el espesor de pared del noveno nivel de 12 mm. El radio del tanque es de 40 mm, la altura del tanque es de 21,8 mm, el líquido dentro del tanque es petróleo, la profundidad máxima de almacenamiento de líquido es de 20,2 mm y la temperatura en las condiciones de diseño es de 68 ℃.
3. El establecimiento del modelo de simulación.
En la simulación numérica de grandes tanques de almacenamiento con diferentes profundidades de almacenamiento y diferentes niveles de vibración, es necesario establecer el modelo de simulación y dividir la cuadrícula. En este estudio, se seleccionan cinco profundidades diferentes de almacenamiento de líquidos, que son 40%, 50%, 60%, 70% y 80% de la profundidad máxima de almacenamiento de líquidos, respectivamente. Por lo tanto, es necesario establecer modelos de simulación de tanques con cinco profundidades diferentes de almacenamiento de líquidos antes de la simulación numérica. Los modelos tridimensionales simplificados de cinco tipos de tanques de almacenamiento se importan al software CFD para la división de la red. El almacenamiento de líquido se establece como dominio fluido, se adoptan diferentes tamaños de cuadrícula en diferentes partes del tanque, se adopta una cuadrícula hexaédrica de 50 mm en el dominio fluido, se adopta una cuadrícula tetraédrica de 45 mm en la superficie del tanque y una cuadrícula tetraédrica de 5 mm se adopta en la estructura compleja dentro del tanque. Después de completar la división de la red, es necesario verificar si la calidad de la red cumple con los requisitos del software de simulación en el software CFD. La calidad de la cuadrícula de los cinco modelos divididos en este estudio está por encima de 0,32, lo que puede cumplir con los requisitos de precisión de la simulación.
Después de completar la división de la cuadrícula, los modelos de cuadrícula de cinco tipos de grandes tanques de almacenamiento verticales se importan respectivamente al software Adina para la simulación numérica. Las condiciones límite de la simulación se establecen en el software Adina y se ingresan diferentes parámetros de grado de vibración. Se establecen cuatro tipos de parámetros de grado de vibración, que son 5,5 grados, 6,5 grados, 7,5 grados y 8,5 grados respectivamente. Ingrese los parámetros relevantes en la Tabla 1 y la Tabla 2 en el software de simulación, seleccione el fluido incompresible, que es una unidad no viscosa y sin transferencia de calor, y realice una simulación numérica después de configurar los parámetros relevantes.
4. Análisis de los resultados de la simulación numérica
Con el fin de comparar mejor los efectos de diferentes profundidades de líquido y diferentes grados de terremotos en el rendimiento de los tanques de almacenamiento de petróleo, se introducen en este estudio el índice de confiabilidad y el estrés vertical. Cuanto mayor es la tensión vertical, más grave es la deformación del tanque. Cuanto menor sea el índice de confiabilidad, más probable es que el tanque falle.
Al analizar los datos de tensión vertical del tanque en cinco condiciones de trabajo, se encuentra que con el aumento de la profundidad del líquido en el tanque, la tensión vertical del tanque de almacenamiento grande aumenta, la deformación del tanque se vuelve más grave y el tanque es más probable que fracase. En condiciones de diseño (el nivel de vibración es de 7,5 grados), la tensión vertical de grandes tanques de almacenamiento con diferentes profundidades de almacenamiento muestra que con el aumento de la profundidad de almacenamiento, la deformación del área externa del tanque aumenta obviamente.
Se puede ver a partir de las tendencias de la tensión vertical de los grandes tanques de almacenamiento con diferentes profundidades de almacenamiento y grados sísmicos que cuanto mayor sea la profundidad del líquido dentro del tanque, mayor será la tensión vertical de los grandes tanques de almacenamiento y menor el índice de confiabilidad. Cuando la profundidad del yacimiento es pequeña, la influencia del grado del terremoto en la fuerza radial es pequeña. Cuando la profundidad del líquido en el tanque alcance el 60 %, la influencia del grado sísmico en la fuerza radial mejorará significativamente, lo que conducirá fácilmente a un índice de confiabilidad por encima del límite y la falla del tanque. Cuando la profundidad del líquido dentro del tanque es la misma, cuanto mayor sea el nivel del terremoto, mayor será la tensión vertical de los grandes tanques verticales de almacenamiento de petróleo y menor será el índice de confiabilidad.
Cuando la profundidad de almacenamiento de líquidos es del 60 %, la tensión vertical de los grandes tanques de almacenamiento con diferentes grados sísmicos muestra que la tensión vertical aumenta significativamente con el aumento del grado sísmico, lo cual es consistente con la tendencia mencionada anteriormente.
5. Conclusión
Para explorar la confiabilidad sísmica de los tanques de almacenamiento de petróleo a gran escala, el software Adina simuló numéricamente el desempeño sísmico de los tanques de almacenamiento de petróleo a gran escala combinado con la teoría del acoplamiento fluido-estructura, y se introdujeron los índices de confiabilidad y tensión vertical para explorar los efectos de diferentes profundidades de líquido y diferentes grados sísmicos en el rendimiento de los tanques de almacenamiento de petróleo, lo que proporcionó una referencia para futuras investigaciones sobre la confiabilidad sísmica de los tanques de almacenamiento de petróleo a gran escala. Las principales conclusiones de este estudio son las siguientes:
(1) La profundidad del líquido y el grado sísmico tienen una influencia significativa en la confiabilidad de los grandes tanques verticales de almacenamiento de petróleo.
(2) Cuando el nivel del terremoto es el mismo, cuanto mayor sea la profundidad del líquido dentro del tanque, mayor será la tensión vertical del tanque de almacenamiento grande.
(3) Cuando la profundidad del almacenamiento de líquido es pequeña, la influencia del grado del terremoto en la fuerza radial es pequeña. Cuando la profundidad del líquido en el tanque alcanza el 60%, la influencia del grado sísmico en la fuerza radial mejora significativamente, lo que hace que el índice de confiabilidad supere el límite y el tanque falle.
(4) Cuando la profundidad del líquido dentro del tanque es constante, cuanto mayor sea el grado del terremoto, mayor será la tensión vertical del gran tanque vertical de almacenamiento de petróleo y menor será el índice de confiabilidad.
(5) Para garantizar la fiabilidad de los grandes tanques de almacenamiento de petróleo, la profundidad del líquido dentro de los tanques debe ser inferior al 60 % en el diseño.
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