立式儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)超壓失效分析

蔡偉勇　凌張偉　王　敏

（浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

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立式儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)超壓失效分析

蔡偉勇*凌張偉王敏

（浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

摘要建立了儲(chǔ)罐有限元分析模型，研究了儲(chǔ)罐內(nèi)部超壓對(duì)罐底板變形的影響，同時(shí)分析了儲(chǔ)罐超壓對(duì)含缺陷角焊縫的裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。結(jié)果表明，儲(chǔ)罐超壓會(huì)導(dǎo)致罐底板發(fā)生提離變形，并且會(huì)導(dǎo)致含缺陷角焊縫的裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子增大，增加角焊縫結(jié)構(gòu)失效的可能性。

關(guān)鍵詞儲(chǔ)罐超壓角焊縫應(yīng)力強(qiáng)度因子罐底板

*蔡偉勇，男，1973年生，工程師。杭州市，310020。

0　引言

石油和石化生產(chǎn)企業(yè)廣泛采用固定頂常壓立式儲(chǔ)罐作為盛儲(chǔ)載體，多儲(chǔ)存具有易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒、有害性質(zhì)的介質(zhì)。由于自然環(huán)境的侵蝕和工況條件的變化，儲(chǔ)罐常會(huì)發(fā)生變形、腐蝕、角焊縫撕裂等結(jié)構(gòu)失效，降低了結(jié)構(gòu)的安全可靠性，更甚者會(huì)引發(fā)介質(zhì)的泄漏、火災(zāi)、爆炸等事故。儲(chǔ)罐超壓是造成儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)破壞最常見的原因之一。2006年7月16日，某單位就發(fā)生一起儲(chǔ)罐（介質(zhì)為精已二胺）超壓事故[1]，導(dǎo)致罐底邊緣板翹起事故。2014年8月，某煉化公司一非錨固立式儲(chǔ)罐因超壓而導(dǎo)致罐底發(fā)生嚴(yán)重變形，同時(shí)罐底角焊縫發(fā)生撕裂。

文獻(xiàn)[2]關(guān)于儲(chǔ)罐超壓破壞采用瞬態(tài)壓力波傳遞計(jì)算法定量描述了壁面作用壓力波，分析了罐頂局部屈服失穩(wěn)和強(qiáng)度破壞形式等；文獻(xiàn)[3]建立了儲(chǔ)罐內(nèi)沖擊波超壓的計(jì)算方法，對(duì)不同容積的儲(chǔ)罐在爆炸載荷作用下進(jìn)行了非線性有限元分析；文獻(xiàn)[4]分析了儲(chǔ)罐焊趾位置的表面半橢圓裂紋，并計(jì)算了不同參數(shù)下的應(yīng)力強(qiáng)度因子。文獻(xiàn)[5]采用有限元軟件對(duì)球罐設(shè)計(jì)進(jìn)行了建模分析；文獻(xiàn)[6]采用ANSYS有限元軟件對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行了非線性屈曲分析和抗風(fēng)設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[7]對(duì)油罐大角焊縫處的應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值分析，分析了邊緣板厚度、內(nèi)側(cè)焊縫長(zhǎng)度等對(duì)大角焊縫處最大峰值應(yīng)力的影響規(guī)律。

本文通過(guò)建立儲(chǔ)罐有限元模型，分析了罐內(nèi)超壓對(duì)罐底板變形的影響；同時(shí)建立了含缺陷角焊縫模型，分析了超壓作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中對(duì)角焊縫裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。

1建立儲(chǔ)罐有限元分析模型

某事故儲(chǔ)罐的容積為235 m3，其結(jié)構(gòu)特征為立式拱頂，尺寸為?6000×8656×6（單位為mm×mm× mm），材料為Q235，焊縫系數(shù)為0.9；儲(chǔ)罐的存儲(chǔ)介質(zhì)為甲基二乙醇胺，其密度為1.04 g/cm3，操作壓力為-0.49～1.96 kPa。2014年8月，該儲(chǔ)罐因呼吸閥未能正常工作致使罐內(nèi)氣相嚴(yán)重超壓，導(dǎo)致了儲(chǔ)罐罐底板發(fā)生提離變形，同時(shí)罐底角焊縫也發(fā)生了撕裂，如圖1所示。

圖1　事故儲(chǔ)罐

建立的有限元分析模型如圖2所示。儲(chǔ)罐材料彈性模量為210 GPa，屈服強(qiáng)度為235 MPa，泊松比為0.3，抗拉強(qiáng)度為375 MPa。儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)受力主要有罐內(nèi)氣相壓力p，承裝介質(zhì)靜壓力（假設(shè)介質(zhì)高度為5.5 m），以及儲(chǔ)罐本身重力。計(jì)算中將儲(chǔ)罐基礎(chǔ)簡(jiǎn)化為剛性平板，與儲(chǔ)罐罐底之間定義接觸屬性。儲(chǔ)罐的邊界條件設(shè)置考慮實(shí)際物料進(jìn)、出管和其他附件的約束作用在罐底局部設(shè)置邊界約束。

圖2　儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)模型

2儲(chǔ)罐罐底板超壓變形

根據(jù)建立的儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)分析模型，在儲(chǔ)罐氣相空間分別施加內(nèi)壓為p=0.035 MPa、0.04 MPa、0.042 MPa、0.046 MPa。計(jì)算結(jié)果的局部放大圖如圖3所示，儲(chǔ)罐罐底板發(fā)生了提離變形，在壓力為0.042 MPa時(shí)其提離高度與實(shí)際事故提離高度相近；提離變形后罐底呈碗狀形態(tài)，并且在結(jié)構(gòu)不連續(xù)的角焊縫位置處存在較大的應(yīng)力集中。由圖4可見，隨著內(nèi)壓的增加，罐底板提離的高度也隨之增加。根據(jù)理論力學(xué)知識(shí)，儲(chǔ)罐罐底板發(fā)生提離的主要原因是非錨固儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)承受的上舉力高于儲(chǔ)罐的重力與罐內(nèi)介質(zhì)靜壓力之和，從而使得儲(chǔ)罐整體結(jié)構(gòu)以約束部位為中心產(chǎn)生提離，致使罐底偏離于儲(chǔ)罐基礎(chǔ)。

圖3　儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)整體變形

圖4　罐內(nèi)壓與罐底板提離高度關(guān)系

3角焊縫表面裂紋分析

儲(chǔ)罐發(fā)生提離變形時(shí)角焊縫位置處存在較大的應(yīng)力集中，容易導(dǎo)致該位置處發(fā)生斷裂。應(yīng)力強(qiáng)度因子作為表征外力作用下彈性體裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的一個(gè)重要參量，是評(píng)價(jià)斷裂破壞和裂紋擴(kuò)展規(guī)律的重要指標(biāo)。為分析提離變形對(duì)含缺陷角焊縫位置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，研究超壓應(yīng)力狀態(tài)下角焊縫裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子情況。建立含缺陷角焊縫分析單元模型，如圖5所示。缺陷的尺寸根據(jù)GB/T 19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》設(shè)置規(guī)則，對(duì)于表面橢圓裂紋，要求裂紋深度a≤0.7t，t為板厚度。計(jì)算中設(shè)置裂紋深度a分別為5 mm、4 mm、3 mm、2.5 mm，裂紋寬度2c為16 mm。裂紋寬度方向平行于焊縫長(zhǎng)度方向，裂紋面與焊縫水平面的夾角為45°。單元受力狀態(tài)根據(jù)超壓變形后的應(yīng)力狀態(tài)設(shè)定。

圖5　含缺陷角焊縫有限元模型

圖6所示為裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子隨前緣節(jié)點(diǎn)（裂紋角）的變化情況?？梢钥闯鰬?yīng)力強(qiáng)度因子隨著裂紋角的增加而增大，最大值位于裂紋最深處。這說(shuō)明在表面裂紋的中心處裂紋奇異應(yīng)力場(chǎng)最強(qiáng)。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，表面裂紋的中心處會(huì)最早達(dá)到材料的斷裂韌性并于此處起裂，因此裂紋中心處是最危險(xiǎn)的部位。圖7所示為采用擴(kuò)展有限元方法對(duì)含缺陷角焊縫單元進(jìn)行的擴(kuò)展分析。由圖7也可以看出，橢圓形表面裂紋從裂紋中心處起裂并往焊縫內(nèi)部擴(kuò)展。同時(shí)從圖6可以看出，對(duì)于同一裂紋角度，應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著裂紋深度a的增加而增加，即半橢圓裂紋的短半軸在焊縫方向越深，KⅠ值越大，越容易在應(yīng)力集中下發(fā)生擴(kuò)展，導(dǎo)致該部位強(qiáng)度下降，即角焊縫越不安全。

圖6　裂紋前緣節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力強(qiáng)度因子

4結(jié)論

本文以儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，建立儲(chǔ)罐超壓變形和含缺陷角焊縫表面裂紋的分析模型，研究了超壓工況下儲(chǔ)罐罐底的提離變形和罐內(nèi)超壓對(duì)含缺陷角焊縫的影響。研究結(jié)果表明，非錨固儲(chǔ)罐氣相空間的內(nèi)壓超壓會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐罐底板產(chǎn)生提離變形，并且提離高度與內(nèi)壓大小成正比；同時(shí)，在超壓變形導(dǎo)致的應(yīng)力集中作用下，含缺陷的角焊縫裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子較大，在裂紋中心尖端具有最大值，并且隨著裂紋深度的增加，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子也增大，因此超壓作用下該位置處為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的危險(xiǎn)點(diǎn)。工程實(shí)踐中要定期對(duì)罐底角焊縫進(jìn)行檢測(cè)，防止儲(chǔ)罐超壓以及角焊縫裂紋的衍生，以保障儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)安全。

圖7　表面裂紋擴(kuò)展過(guò)程（擴(kuò)展時(shí)間單位：s）

參考文獻(xiàn)

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Failure Analysis of Vertical Storage Tank under Overpressure

Cai Weiyong Ling Zhangwei Wang Min

Abstract：The finite element analysis model of the storage tank is established so that the influence of the internal overpressure on the deformation of the tank bottom as well as the influence of the overpressure on the stress intensity factor of the crack tip in the fillet weld with defects is analyzed.The results show that the overpressure of the tank may lead to the lifting deformation of the tank bottom and increase the stress intensity factor of the crack tip in the fillet weld with defects which increase the possibility of the structure failure of the fillet weld.

Key words:Storage tank; Overpressure; Fillet weld; Stress intensity factor; Tank bottom

收稿日期：（2015-07-30）

中圖分類號(hào)TQ 050.2

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.04.009