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2013 年 11 月　第 32 卷 第 11 期 油气储存

网络出版时间：2013-9-22 17:30:00　　　　　　网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1093.TE.20130922.1730.009.html

随着我国原油战略储备计划的开展，对大型油库

的需求量逐渐增大。在大型油库的建造过程中，超大

型原油储罐在节约占地面积、便于规模化管理、节省投

资等方面具有极大优势，使得油罐大型化成为一种必

然趋势[1-2]。超大型原油储罐一般采用单盘式和双盘

式的外浮顶结构。双盘式浮顶因其在结构稳定性和使

用维护方面的优势较大，而成为超大型原油储罐的首

选形式[3]。由于国内外相关储罐标准仅对浮顶具体结

构给出了原则性要求，并未对其进行详细说明[4-5]，设

计人员通常根据经验设计或照搬国外相关结构，局限

性非常大。基于此，利用有限元软件 ANSYS 对常规

设计的双盘式浮顶进行整体建模，计算相关工况下浮

顶的应力分布和下沉位移，以期为双盘式浮顶的设计

建造提供参考。

1 浮顶结构参数

双盘式浮顶由上顶板、下底板、环向隔板以及径向

20×104 m3 超大型储罐双盘式浮顶性能与设计

张国静1　洪伟荣1　匡继勇1　李金龙2

1. 浙江大学化工机械研究所，浙江杭州 310027；2. 中国石油辽河工程有限公司，辽宁盘锦 124010

文章编号：1000-8241（2013）11-1223-04

摘要：针对某 20×104 m3 超大型储罐用双盘式浮顶提出整体建模的数值计算方案，建立整体

ANSYS 有限元模型。按照相关标准规定对浮顶正常漂浮工况、两个相邻浮舱泄漏工况、一个边缘

浮舱与相邻环向浮舱整体泄漏工况、上顶板 250 mm 积水工况 4 种情况下的应力分布和下沉位移进

行分析计算。结果表明：上顶板 250 mm 积水工况为最危险工况，此时浮顶最大应力为 123.9 MPa，最大下沉位移 422.4 mm。利用有限元计算模型开展以减轻浮顶总体质量为目的的结构优化计算，

结果表明：桁架的数量对于浮顶整体质量影响较小，但对于增加浮顶支撑、减小应力水平的影响较

大，结构优化应从减小板材厚度方面考虑。（表 1，图 4，参 6）关键词：超大储罐；双盘浮顶；有限元；性能分析；设计构想

中图分类号：TE972　　　　　 文献标识码：A　　　　　doi： 10.6047/j.issn.1000-8241.2013.11.017

Performance and design of double deck floating rooffor a 20×104 m3 super-large tank

Zhang Guojing1, Hong Weirong1, Kuang Jiyong1, Li Jinlong2

1. Institute of Process Equipment, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang, 310027;

2. China Liaohe Petroleum Engineering Company, Panjin, Liaoning, 124010

Abstract: In the light of double deck floating roof of a 20×104 m3 super-large tank, the numerical calculation scheme of

overall modeling was proposed and the overall ANSYS finite element model was built. According to the corresponding

standards, the stress distributions and sinking displacements under the following four cases were calculated and analyzed,

that is, normal floating, two adjacent buoyancy chambers leaking, one edge buoyancy chamber and those around it all

leaking, top roof with 250 mm surface water. The results show that the case of top roof with 250 mm surface water is the

most dangerous, the maximum stress on float roof is 123.9 MPa in this case and the maximum sinking displacement is 422.4

mm. To reduce the whole weight of floating roof, a structure optimization calculation by finite element model was carried

out. The calculation results show that the number of trusses has very little effect on the whole weight of floating roof, but

has obvious increase in support and reduction in stress level, structure optimization should be proceeded from the aspect of

reducing the thickness of steel sheet. (1 Table, 4 Figures, 6 References) Key words: super-large tank, double deck floating roof, finite element, performance analysis, design concept

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2 有限元计算方案

风载荷为垂直于罐壁作用，对浮顶基本没有影响。

同时，由于大型原油储罐一般在常温下使用，因此在实

际工程应用过程及相关标准[4]中，浮顶设计均不考虑

风载荷和温度的影响。此外，在对双盘式浮顶进行有

限元计算时，可忽略浮顶与罐壁间的密封力及浮顶与

导向柱之间的摩擦力，将浮顶简化为平稳漂浮于液面

之上且仅受自身重力与浮力作用的理想浮顶。主要考

虑 4 种工况下浮顶结构的应力及整体下沉位移：①浮

顶正常漂浮；②两个边缘浮舱破坏；③一个边缘浮舱以

及相邻环向浮舱整体破坏；④上顶板 250 mm 积水。

在建模过程中，浮顶的上顶板、下底板及环向隔

板、径向隔板等板材均用 SHELL 单元划分网格，并

添加单元实常数为板厚 5 mm；浮舱内部的支撑桁架，

用 BEAM188 单元划分网格，并添加单元截面形状为

角钢。

按照 ANSYS 内部架构，若壳单元与梁单元进行

耦合，仅需共用节点即可，无需添加节点耦合方程。数

值计算选用 SHELL63 单元，其弹性基础系数可以用

来模拟弹性地基，即可以设置单元所受力与其位移成

正比。将浮顶漂浮过程中的受力简化为液面浮力与自

身重力的合力，故可以将储液视为一种“弹性基础”，且

K 0=ρg，其中K 0 为弹性基础系数。将 SHELL63 单元

的弹性基础系数设置为储液重度后，用该单元模拟底

板，即可体现液面对浮顶的浮力。上顶板与隔板可以

用未设置弹性基础系数的 SHELL63 单元进行模拟。

校核浮舱泄漏工况下的浮顶强度时，只需删除泄漏浮

舱底板所在单元的弹性基础系数，即消除了浮力。

考虑计算机的计算能力与计算精度，模型共划

隔板焊接而成，中间形成许多中空的浮舱，浮舱内设置

用角钢焊接成的桁架结构以增加支撑（图 1）。浮舱隔

板和桁架由碳素结构钢 Q235B 焊接而成，Q235B 在

压力容器方面应用较成熟，按照 GB 50341－2003《立

式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》的规定，钢板的许用

应力取 157 MPa[4]。浮顶的上顶板中心和边缘略高，

坡度为 1.5％，在半径方向上形成双“W”形，“W”形最

低点设置排水设施，用以排除浮顶表面积存的雨水或

降雪融水。浮顶底面平整，侧缘有导向柱对整个浮顶

上浮与下沉过程进行限位。正常工作时，浮顶靠自身

密闭浮舱的浮力漂浮在液面上，与罐壁之间利用密封

元件形成对储液的密封。浮顶底面与储液之间完全接

触，并随储液量的变化而浮动。

浮顶设置 10 道环向隔板和最外侧边缘板，将浮

顶整体分隔成 11 圈浮舱，中间一圈围成半径为 0.75 m

的中空浮舱，不设任何径向隔板和桁架。第 2 圈浮舱

至第 11 圈浮舱由内而外均设置数目不同且位置错开

的径向隔板，将其分隔成许多更小的浮舱，每个小浮舱

内再设置均布的桁架以增加支撑（图 2、表 1）。

图 1　双盘式浮顶结构示意图

图 2　第二圈浮舱内桁架分布图

表 1　浮顶径向隔板与桁架数量

浮舱沿径向编号

环向隔板间距离/m

径向隔板数/个

原桁架数

优化实验桁架数/个

1 - 0 0 0 2 5.0 3 7 5 3 5.5 3 15 9 4 5.5 4 15 9 5 5.5 6 14 9 6 5.5 8 13 9 7 5.5 12 11 7 8 5.5 12 12 9 9 5.5 16 11 710 5.5 36 5 411 5.0 60 3 2

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图 3　4 种工况下浮顶竖向位移分布图（m）

（a）正常漂浮

（c）一个边缘浮舱以及相邻环向浮舱整体破坏

（b）两个边缘浮舱破损

（d）上表面 250 mm 积水

分壳单元数目为 57 460，梁单元数目为 39 928。为了

防止在计算过程中刚度矩阵奇异，即存在刚性位移，

ANSYS 要求约束结构X、Y、Z 3 个方向的位移。结

合浮顶结构具体情况，对浮顶Z 向位移利用弹性基础

系数进行限制，而X、Y 向位移则利用对称性，约束底

板中心线相关位移。

3 计算结果与评定

正常漂浮工况下，由于桁架和钢板的焊接使得结

构存在一定的应力集中，最大应力强度位置出现在桁

架和底板焊接处，最大值为 24.6 MPa，整体应力水平

较低。最大下沉位移为 120.8 mm，仍能保持浮顶正

常形状（图 3a）。在两个边缘浮舱破损工况下，应力

强度最大值为 26.3 MPa，应力水平不足以引起强度破

坏。最大下沉位移点出现在破损边缘浮舱处，最大值

为 135.3 mm，较正常漂浮工况有所增加（图 3b）。在一

个边缘浮舱以及相邻环向浮舱整体破坏工况下，应力

强度最大值为 38.8 MPa，应力水平不足以引起强度破

坏。最大下沉位移点出现在破损边缘浮舱处，最大值

为 183.2 mm，由于破损面积较大，使得浮顶下沉位移

进一步增加（图 3c）。浮顶上表面 250 mm 积水为最危

险工况，应力强度最大值为 123.9 MPa，浮顶所用钢板

为 Q235B，仍在钢材许用应力范围内[4]。由于该工况

是将积水换算成均布压力施加在浮顶上表面，故位移

与应力分布与浮顶正常漂浮工况下的分布状态相似，

浮顶最大下沉位移为 422.4 mm，最外侧浮顶高度为

1 m，故此种工况下浮顶仍然可以正常漂浮（图 3d）。

4 浮顶结构优化方案

由于浮顶结构按照常规钢架结构进行经验设计，

对于桁架疏密和钢板厚度等可能存在优化裕度[6]。由

有限元计算结果可知不同单元构件的质量，顶板、底板

以及径向隔板、环向隔板等板材的总质量为 839.6 t，桁

架结构总质量为 131.6 t，故浮顶的总质量为 971.2 t。

单纯上下两层板的质量可采用公式m=2 πR 2tρ

估算，其中：m 为浮顶上下板质量，kg；R 为浮顶半径，

m；t 为板厚，m；ρ 为钢材密度，kg/m3。计算可得两层

板的总质量为 739.243 t，即两层板的质量占总质量的

绝大部分，而桁架与隔板的质量约占总质量的 25％。

因此，建议采用减小上下两层板厚度的方法减轻浮顶

质量。

张国静等：20×104 m3 超大型储罐双盘式浮顶性能与设计

Zhang Guojing，et al：Performance and design of double deck floating roof for a 20×104 m3 super-large tank

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API 650-2007《钢制焊接石油储罐》规定浮顶板材

最小名义厚度应取 5 mm[5]，而我国储罐标准规定浮顶

板材的最小名义厚度可取 4.5 mm[4]，因此，在 250 mm

积水危险工况，将板厚减小为 4.4 mm，计算得到顶板、

底板及径向隔板、环向隔板等板材的总质量为 738.8 t，

桁架结构总质量为 131.6 t，故浮顶总质量为 870.4 t，比

之前的质量减少了 100.8 t（10.4％）。应力强度最大值

增加到 155 MPa，但仍在材料许用应力范围内，最大下

沉位移为 421.5 mm，反而由于浮顶质量的减轻，浮顶

下沉位移减小。

为了验证桁架结构的疏密程度，取桁架间距为

2 m，对浮舱内桁架进行重新布置，此时桁架减少约

30％（表 1）。对于重新布置桁架后的浮顶选择上表

面 250 mm 积水工况进行计算，由应力云图可知，应力

强度最大值已经达到 258 MPa，超出材料许用应力值

（图 4）。因此，桁架对于增加浮舱内部支撑、减小应力

所起作用十分显著，而通过减少桁架进行浮顶结构优

化的方法不可行。

5 结论

（1）对 20×104 m3 原油储罐用双盘式浮顶进行有

限元分析，计算得到浮顶正常漂浮工况、两个边缘浮舱

破损工况、一个边缘浮舱与相邻环向浮舱整体破损工

况及浮顶上表面 250 mm 积水工况下的应力与下沉位

图 4　浮顶结构优化试验应力强度分布云图（Pa）

移。结果表明：浮顶上表面 250 mm 积水工况为最危

险工况，其整体应力强度最大值为 123.9 MPa，位移最

大值 422.4 mm，但不足以引起强度破坏和沉顶破坏。

（2）浮顶结构优化试验从减小板材厚度和改变桁

架数量两方面进行计算，结果表明：减小上下两层板厚

对于减小浮顶整体质量作用显著，而减小桁架数量会

引起浮顶应力强度的增加，对于减小浮顶整体质量所

起作用极为有限。

参考文献：

[1] 武铜柱. 大型立式油罐发展综述[J]. 石油化工设备技术，2004，

25（3）：56-59.

[2] 姜志阳. 大型圆筒形外浮顶储罐罐壁及浮顶设计计算探讨[D].

上海：上海交通大学，2003.

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哈尔滨工业大学，2008.

[4] 中国石油天然气集团公司. GB 50341－2003 立式圆筒形钢制焊

接油罐设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2003.

[5] American Petroleum Institute. API 650-2007 Weld steel tanks

for oil storage[S]. Washington, D C：API Publishing Services，

2007.

[6] 何雪，张新，王伟. 基于 ANSYS 的储油罐双盘浮顶优化设

计[J]. 低温建筑技术，2004（4）：52-54.

（收稿日期：2013-03-19；编辑：孙伶）

作者简介：张国静，在读硕士生，1989 年生，2011 年毕业于中国石

油大学（华东）过程装备与控制工程专业，现主要从事过程装备强度

与安全技术的研究工作。

电话：15824125593；Email：bluesboy_x@126.com

Zhang Guojing, reading master, born in 1989, graduated from China

Petroleum University (Huadong), process equipment and control

engineering, in 2011, engaged in the research of process equipment

strength and safety technology.

Tel: 15824125593, Email: bluesboy_x@126.com