立式金屬罐罐底變形容量修正方法研究

陳賢雷，郝華東，施浩磊

（舟山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院，浙江 舟山 316021）

立式金屬罐罐底變形容量修正方法研究

陳賢雷，郝華東，施浩磊

（舟山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院，浙江 舟山 316021）

通過(guò)建立立式金屬罐的罐底有限元模型，提出罐底標(biāo)高修正法和附件修正法，減少立式金屬罐裝油后罐底變形對(duì)容量計(jì)量的影響，提高貿(mào)易計(jì)量交接的準(zhǔn)確性。對(duì)容量為5000m3的立式金屬罐，分別采用容量比較法與幾何測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)分析；通過(guò)采用罐底標(biāo)高修正和附件修正兩種方法對(duì)幾何測(cè)量法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，并與容量比較法的結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證兩種修正方法的可靠性。

立式金屬罐；罐底變形；容量計(jì)量；修正方法；試驗(yàn)分析

0　引　言

立式金屬罐（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“立式罐”）是我國(guó)能源計(jì)量貿(mào)易交接的重要強(qiáng)檢計(jì)量器具，其容量計(jì)量的準(zhǔn)確性直接影響國(guó)內(nèi)外貿(mào)易的經(jīng)濟(jì)利益和國(guó)家計(jì)量信譽(yù)［1-2］。目前，隨著貿(mào)易交接的日益頻繁和立式罐大型化發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)立式罐容量計(jì)量準(zhǔn)確性要求越來(lái)越高，但仍然有一些因素（如溫度、罐體橢圓度、罐體傾斜、罐底變形等）影響其計(jì)量準(zhǔn)確性，其中罐底變形對(duì)立式罐容量計(jì)量準(zhǔn)確性影響較大。

立式罐罐底變形原因比較復(fù)雜，涉及到地質(zhì)學(xué)、建筑、力學(xué)、熱學(xué)、材料學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域，主要分為以下2類(lèi)［3］：1）罐體進(jìn)行水壓試驗(yàn)后，原來(lái)具有一定錐度的規(guī)則狀罐底板變成不規(guī)則的凸凹狀表面；2）充裝油品后，罐地基不斷變化，造成罐基礎(chǔ)不均勻沉陷和罐底板變形，導(dǎo)致罐底部變化沒(méi)有規(guī)律。

國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者多年來(lái)積極探索實(shí)用準(zhǔn)確的立式罐底量測(cè)量方法。目前，已經(jīng)提出了4種儲(chǔ)液狀態(tài)下底量增量測(cè)量方法［4-7］：幾何法、倒罐法、雙位法和液位計(jì)法，但上述方法無(wú)法從根本上減少或消除因罐底變形造成罐底量的誤差。為了提高容量計(jì)量的準(zhǔn)確性和確保貿(mào)易交接的可靠性，本文開(kāi)展立式罐罐底變形容量修正方法的研究。

1　立式金屬罐有限元建模及分析

基于有限元分析開(kāi)展立式罐罐底量變形研究，通過(guò)建立容量為5 000 m3立式罐的罐底有限元模型，模擬罐體自重和試水產(chǎn)生靜壓力工況下，開(kāi)展立式罐罐底變形分析，尋找、總結(jié)罐底變形的規(guī)律。

1.1參數(shù)設(shè)置

如圖1（a）所示，立式罐建模參數(shù)參照GB 50341——2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》［8］，罐底與地基之間采用面—面接觸單元［9］，地基上表面采用Conta174接觸單元，罐底采用Targe170目標(biāo)單元。如圖1（b）所示，由于三維建模單位過(guò)大，為了方便數(shù)據(jù)處理，本文采用半個(gè)罐體即10°實(shí)體模型建模。如圖1（c）所示，模型載荷主要由重力加速度模擬的罐體質(zhì)量和從上至下線性增加的三角分布的液體靜壓力組成。

圖1　罐體有限元模型

1.2建模沉降分析

如圖2所示，對(duì)5000m3的仿真罐每隔2m高度液位進(jìn)行罐底沉降仿真試驗(yàn)，得到不同液位高度下罐底最大沉降曲線圖。從圖中可得，隨著液體高度不斷上升，罐底承受的靜壓力逐步增大，壓力與沉降量按一定規(guī)律進(jìn)行變化：其中在4～8m范圍內(nèi)罐底沉降量變化幅度最明顯，每間隔2m高度變化為2mm左右；在8～16 m范圍內(nèi)變化趨于平穩(wěn)，每間隔2 m高度變化為0.8 mm左右；在16～20 m范圍內(nèi)，每間隔2m高度變化為0.6mm左右。

圖2　不同液位高度下罐底最大沉降曲線圖

罐底板隨液高變化規(guī)律如圖3所示，可得出以下結(jié)論：1）當(dāng)液位高度H在（0，H1）區(qū)間內(nèi)，罐底板沉降基本沒(méi)有變化，當(dāng)達(dá)到H1值附近時(shí)，罐底板突然下沉變形，產(chǎn)生底量增量；2）當(dāng)液位高度H在（H1，H2）區(qū)間內(nèi)，罐底板產(chǎn)生均勻線性形變、沉降；3）當(dāng)液位高度H在（H2，H3）區(qū)間內(nèi)，罐底板沉降變化不大，呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3　罐底板隨液高變化規(guī)律圖

2　試驗(yàn)分析

根據(jù)JJG 168——2005《立式金屬罐容量》檢定規(guī)程，立式罐底量測(cè)量所用的方法有容量比較法和幾何測(cè)量法，由于容量比較法是將水或者液體石油產(chǎn)品從標(biāo)準(zhǔn)金屬量器或流量計(jì)注入到被測(cè)罐［10］，罐體越大需要的液體越多，同時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以在日常檢定中均采用幾何測(cè)量法。本文在仿真的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用容量比較法和幾何測(cè)量法對(duì)容量為5000m3的立式罐進(jìn)行測(cè)量，比較兩種測(cè)量方法的結(jié)果，驗(yàn)證1.2節(jié)中仿真結(jié)論的準(zhǔn)確性。

2.1試驗(yàn)條件和方法

2.1.1容量比較法

容量比較法所使用的標(biāo)準(zhǔn)器為美國(guó)產(chǎn)羅斯蒙特質(zhì)量流量計(jì)，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.1級(jí)，通過(guò)線性擬合后，其準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.05%；測(cè)深鋼卷尺準(zhǔn)確度等級(jí)為I級(jí)，試驗(yàn)用介質(zhì)為儲(chǔ)罐進(jìn)行試水沉降時(shí)使用的池水。將量油尺在預(yù)測(cè)液高位置處涂上試水膏，在被測(cè)罐上由檢尺口處向下投尺，測(cè)得液面高度。其注水點(diǎn)分別為：第1點(diǎn)為罐底最高點(diǎn)，也可適當(dāng)超出，以后每隔2 m為一點(diǎn)；測(cè)試結(jié)果時(shí)流量在70 t/h左右，兩個(gè)儲(chǔ)罐水溫均在23℃左右，密度按純水密度表計(jì)算。

2.1.2幾何測(cè)量法

幾何測(cè)量法所用標(biāo)準(zhǔn)器為徠卡TCRM1200+全站儀，準(zhǔn)確度等級(jí)為II級(jí)；水準(zhǔn)儀為徠卡NA728型，準(zhǔn)確度等級(jí)為DSZ3級(jí)。鋼卷尺和測(cè)深鋼卷尺的準(zhǔn)確度等級(jí)均為I級(jí)。試驗(yàn)依據(jù)JJG 168——2005檢定規(guī)程要求，在空罐下進(jìn)行測(cè)量。

2.2罐容數(shù)據(jù)比較

底量部分高度分別為0.2，0.5，1m，之后每隔2m取值，對(duì)容量比較法和幾何測(cè)量法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，得到罐容比較如表1所示。

表1　幾何測(cè)量法與容量比較法的比較表

可以看出，兩種方法測(cè)得的罐容有一定變化，主要有以下4點(diǎn)：在0～0.2m高度范圍內(nèi)，底量變化不大，為-0.102m3；在0.2～0.5m高度范圍內(nèi)，在0.5m底部突變0.61m3，產(chǎn)生沉降；在0.5～8m高度范圍內(nèi)，底部增量隨著高度成線性變化；在8～15m高度范圍內(nèi)，底部增量逐漸趨于平穩(wěn)。該結(jié)論與仿真結(jié)果相似。

3　罐底變形修正方法

本文提出通過(guò)罐底標(biāo)高修正和附件修正兩種方法來(lái)修正底部增量，進(jìn)而提高容量計(jì)量的準(zhǔn)確性。

3.1罐底標(biāo)高修正法

依據(jù)JJG 168——2005檢定規(guī)程要求，幾何測(cè)量法原理是將罐底作為一個(gè)圓，根據(jù)罐容大小確定罐底上同心圓（I，II，III，…，m）和半徑（O-1，O-2，…，O-n，n為半徑測(cè)量系數(shù)）的交點(diǎn)位置和測(cè)量點(diǎn)數(shù)，將水準(zhǔn)儀架設(shè)在罐底中心的穩(wěn)定點(diǎn)上，用標(biāo)高尺逐一直立于各測(cè)量點(diǎn)、罐底中心點(diǎn)和下計(jì)量基準(zhǔn)點(diǎn)上，由水準(zhǔn)儀讀出標(biāo)尺的讀數(shù)，記錄各測(cè)量點(diǎn)的標(biāo)高［7］。

用幾何測(cè)量法測(cè)量罐底，其罐底最高點(diǎn)以下容量ΔVB按下式計(jì)算：

式中：ΔVB——罐底容量；

R——罐底的半徑；

H0——罐底中心高度；

H1——第1個(gè)圓周上測(cè)點(diǎn)高度；

Hm-1——第（m-1）個(gè)圓周上測(cè)點(diǎn)高度；

K=m·n，根據(jù)檢定規(guī)程JJG 168——2005描述，

5000m3的罐，m=n=8。

通過(guò)仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合立式罐檢定規(guī)程中底量計(jì)算模型對(duì)幾何測(cè)量法獲得的底量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。通過(guò)對(duì)容量為5000m3的立式罐仿真，得到其在罐體充滿水的情況下，底部中心沉降為12mm，邊部沉降為1.5mm，其余各點(diǎn)按線性沉降，通過(guò)對(duì)罐底中心點(diǎn)H0、圓周上各點(diǎn)和邊部各點(diǎn)Hm-8進(jìn)行修正，罐底標(biāo)高法修正前后與容量比較法測(cè)得的容量，如表2所示。

從表中可以得到，液高從6m開(kāi)始往上，修正前的幾何測(cè)量法與容量比較法容量相對(duì)誤差最大為-0.106%，而采用罐底標(biāo)高修正后的幾何測(cè)量法與容量比較法容量相對(duì)誤差最大僅為-0.006%，該段修正較為理想；但是在液高0.5～6 m范圍內(nèi)，尤其是在0.5m內(nèi)，采用罐底標(biāo)高修正后的幾何測(cè)量法與容量比較法容量相對(duì)誤差達(dá)0.848%，大于修正前的-0.435%，而在液高1～4m位置時(shí)，修正后容量相對(duì)誤差逐步減少，這是因?yàn)楣薜讟?biāo)高修正法對(duì)低液位時(shí)的容量修正效果不明顯，導(dǎo)致罐底容量產(chǎn)生突變，無(wú)法對(duì)不同液位下的罐容進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正；而對(duì)6m以上較高液位時(shí)的容量修正效果比較好，這種方法適用于進(jìn)行高液位貿(mào)易交接的罐，準(zhǔn)確度比較高。

表2　5000m3立式金屬罐罐底標(biāo)高法修正前后與容量比較法的比較表

3.2附件修正法

采用附件修正方法對(duì)幾何測(cè)量法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分層修正。分層依據(jù)仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)論，分為（0，H1）、（H1，H2）和（H2，H3）區(qū)間。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，在每個(gè)區(qū)間增加一個(gè)附件來(lái)進(jìn)行修正，其中液高在0～0.5m范圍內(nèi)，附件修正值為0.8m3；液高在0.5～8m范圍內(nèi)，附件修正值為1.8 m3；液高在8～15 m范圍內(nèi)，附件修正值為0.1m3。修正后數(shù)據(jù)與容量比較法比較如表3所示。

表3　5000m3立式金屬罐附件法修正前后與容量法的容量比較表

從表中可以得到，液高在0～0.5m范圍內(nèi)，修正前幾何測(cè)量法與容量比較法容量相對(duì)誤差為-0.435%，而修正后幾何測(cè)量法與容量比較法容量相對(duì)誤差為-0.007%；液高在1～8 m范圍內(nèi)，修正前幾何測(cè)量法與容量比較法容量相對(duì)誤差最大為-0.268%，而修正后幾何測(cè)量法與容量比較法容量相對(duì)誤差最大為0.012%；液高在10～15m范圍內(nèi)，修正前幾何測(cè)量法與容量比較法容量相對(duì)誤差最大為-0.087%，而修正后幾何測(cè)量法與容量比較法容量相對(duì)誤差最大為0.012%；修正結(jié)果較為理想。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)容量為5000m3的立式罐有限元模型進(jìn)行罐底沉降量分析，得出各個(gè)高度的沉降變化，總結(jié)理論經(jīng)驗(yàn)。對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并通過(guò)容量比較法與幾何測(cè)量法的比較，驗(yàn)證仿真結(jié)論的可靠性，分別通過(guò)罐底標(biāo)高修正和附件修正兩種方法對(duì)幾何測(cè)量法的結(jié)果進(jìn)行修正，但是罐底標(biāo)高修正法只能對(duì)某一液高位置的罐容進(jìn)行修正，無(wú)法對(duì)不同液位下的罐容進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，與容量比較法相比，相對(duì)誤差還較大。附件修正法能夠分層修正，根據(jù)罐容在不同液位高度下的變化對(duì)其進(jìn)行線性修正，與罐底標(biāo)高修正法相比，相對(duì)誤差較小，但是該方法要求在已知罐底實(shí)際變形量和罐容實(shí)際變化量的情況下進(jìn)行修正，即對(duì)參照GB 50341——2003制造規(guī)范設(shè)計(jì)的5000m3立式金屬罐具有一定的適用性。

由于每個(gè)立式罐罐底填充材料、罐底材料、地基和使用情況等不同，造成的沉降量和罐容變化大不相同，在此基礎(chǔ)上還需進(jìn)一步研究，通過(guò)測(cè)試各個(gè)型號(hào)不同地基、材料的立式罐，獲取更加詳盡的測(cè)試數(shù)據(jù)，為尋找更加準(zhǔn)確可靠的修正方法，繼而提高容量計(jì)量貿(mào)易交接準(zhǔn)確性以及確保油罐正常安全使用提供幫助。

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（編輯：劉楊）

Study on the volume correction method of vertical metal tank after tank bottom deformation

CHEN Xianlei，HAO Huadong，SHI Haolei
（Zhoushan Institute of Calibration and Testing for Qualitative and Technical Supervision，Zhoushan 316021，China）

The paper explores a volume correction method for bottom deformation of vertical metal tanks.A tank bottom elevation correction method and an accessory correction method were respectively proposed through the establishment of a finite element model for tank bottom to reduce the influence of tank bottom deformation on volume metrology resulted from oil loading，thus enhancing the accuracy of custody transfer.A vertical metal tank with a capacity of 5，000 m3 was tested by volume comparison and geometric measurement and the analytical results were modified with the elevation correction method and the accessory correction method described above.Then，the modified results were compared with the results of volume comparison to verify that reliability of the two correction methods.

vertical metal tank；bottom deformation；volume metrology；correction method；test analysis

A

1674-5124（2016）05-0038-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.05.008

2015-07-08；

2015-09-28

國(guó)家質(zhì)檢總局公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)（201210106）浙江省質(zhì)監(jiān)系統(tǒng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（20130393）浙江省科技廳公益技術(shù)研究社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目（2012C33082）舟山市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013C31049）

陳賢雷（1984-），男，浙江舟山市人，工程師，主要從事立式罐等大容量計(jì)量檢定、科研及計(jì)量管理工作。