原油儲罐應(yīng)力及風(fēng)險分析

張金鎖

(中國石油長慶油田分公司，陜西西安 710018)

原油儲罐應(yīng)力及風(fēng)險分析

張金鎖

(中國石油長慶油田分公司，陜西西安710018)

針對某油庫6#儲罐，采用ANSYS建立有限元模型，對其罐壁板單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對比分析了滿載時罐體未變形及變形兩種情況的應(yīng)力分布，通過變形罐體的應(yīng)力云圖可以看出該儲罐罐體已經(jīng)產(chǎn)生變形，且局部變形比較嚴(yán)重。變形前后應(yīng)力數(shù)據(jù)顯示罐體多處已經(jīng)處在材料屈服極限范圍內(nèi)，甚至接近于屈服極限上限290 MPa，具有一定危險。提出應(yīng)及時檢測其它儲罐，并采取相應(yīng)措施防止罐體出現(xiàn)較大變形。

油罐 有限元模型 應(yīng)力分布 屈服極限 風(fēng)險分析

原油儲罐一般用來儲存油品烴類等易燃易爆的液態(tài)介質(zhì)，一旦發(fā)生事故，將會造成環(huán)境污染及重大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至威脅到人民的生命。特別是現(xiàn)今大型超大型儲罐的日益增多，災(zāi)害后果更不堪設(shè)想。同時，隨著儲罐長時間運行，會出現(xiàn)罐壁變形、罐底壁板腐蝕等問題，嚴(yán)重影響油庫的安全運行，因此，對原油儲罐應(yīng)力及風(fēng)險進(jìn)行評價分析，對油庫的安全運行有著重要意義[1]。

根據(jù)儲罐破壞因素一般對儲罐展開兩個方面的研究，分別是靜力、動力特性研究。在靜力特性理論研究上，對儲罐底板應(yīng)力的計算主要有3種方法，分別為1968年DENHAM等提出的剛性地基梁法[2]，1978年中科院力學(xué)所的李國深法[3]，及1996年吳天云等提出的剛性一彈性地基梁藕合法[4-5]。隨著有限元理論的日益完善，ANSYS、ABAQUS和ADINA等大量有限元數(shù)值模擬軟件日趨成熟，相比理論方法，有限元法更能靈活地展現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體變形狀態(tài)及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況。

1 6#油罐檢測情況

某油庫規(guī)模較大，已經(jīng)運行7年，選取該油庫中6#罐進(jìn)行分析。儲罐公稱容量12×104m3，計算容量126 377 m3，內(nèi)徑80 000 mm，罐壁高度21 000 mm,各層罐壁高度及厚度見表1。

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)及聲波檢測發(fā)現(xiàn)罐壁板有較大變形，罐底板有輕微腐蝕，但沒有關(guān)于油罐裂紋的檢測結(jié)果。因此應(yīng)確定該罐的具體應(yīng)力分布狀況，評價油罐罐體的變形對油罐強(qiáng)度的影響。

1.1 儲罐模型基本假設(shè)

結(jié)合工程實際情況，相應(yīng)地作出如下簡化和假設(shè)[6]：①罐體為線彈性材料；②地基土體為非線性的、均質(zhì)彈塑性模型的介質(zhì)；③采用一次性充滿水施加水壓荷載；④計算不計地基土固結(jié)。

1.2 模型荷載

有限元模型的荷載包括邊界條件和作用力的函數(shù)[7]。這里研究的靜載下儲罐模型僅涉及到表面荷載和DOF約束。

a)表面荷載。罐壁上作用的水壓呈三角形分布：

P=ρgh-z

底板上作用的水壓呈梯形角形分布為：

P=ρgSx+ρgh-RS

式中：P——載荷，MPa;

z——罐的高度坐標(biāo)，m；

h——儲液高度,m；

ρ——儲液密度,kg/m3；

S——儲罐底板坡度(向上為正，向下為負(fù))；

x——距離儲罐底板中心的距離,m；

R——為儲罐內(nèi)半徑,m。

b)DOF約束。儲罐模型采用的DOF約束條件：地基模型上邊界除與儲罐接觸的部分為地表，定義為自由邊界，不予約束；儲罐模型的左邊界定義為對稱約束邊界；地基模型的右邊界定義為單約束邊界；地基模型的下邊界認(rèn)為是支撐在基巖或硬土上，限制豎向位移，但對側(cè)向無約束。

1.3 建立有限元模型

采用有限元軟件ANSYS建立油罐的有限元模型。

a)載荷條件。儲罐所承受的載荷為罐體自重和充滿原油的靜壓作用。充液高度為20 400 mm，原油的重度為0.85×10-5N/mm3，原油的靜壓力呈三角形分布，由上到下逐漸增大，最底部的液體靜壓力為0.173 4 MPa。

b)罐體變形情況。經(jīng)測量，從上到下各圈罐壁板的變形情況如圖1所示。

c)網(wǎng)格處理。對于罐壁板，采用殼體單元，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。分別計算儲罐滿載時罐體未變形與罐體變形兩種情況的應(yīng)力分布，并進(jìn)行對比。

圖1 罐壁板變形情況

2 6#罐體應(yīng)力分布

未變形罐體為理想圓筒，罐壁各處的應(yīng)力與環(huán)向位置無關(guān)，僅與高度有關(guān)，從上到下，罐壁上的應(yīng)力越來越大，最大應(yīng)力為260 MPa。參照同類油罐的設(shè)計資料，罐壁材料的許用應(yīng)力取260～290 MPa，則最大應(yīng)力小于罐壁材料的許用應(yīng)力。通過變形罐體的應(yīng)力云圖可以看出，罐體變形后，罐體的形狀發(fā)生了不規(guī)則變化，使管壁的受力狀況惡化，由于罐壁的變形，罐壁上的應(yīng)力分布極不均勻。其中罐體變形后的最大應(yīng)力位于罐體有限元模型中的節(jié)點1 185處，具體位置為正西方，距地面高為7.2 m，其Mises等效應(yīng)力值為293 MPa，和罐體材料的屈服極限的上限持平，而該處在未變形前的等效應(yīng)力值為210 MPa，增大了39.5%，該處的應(yīng)力分布云見圖2。

罐壁應(yīng)力超過260 MPa的部分節(jié)點及其應(yīng)力值列于表2。

圖2 最大應(yīng)力點的應(yīng)力云圖

序號節(jié)點號等效應(yīng)力/MPa角度/°高度/m1472272．0625．312．42600265．9425．313．23801270．091804．84929286．021805．651057292．821806．461185293．791807．271313287．71807．7481441281．681808．6791569267．841809．6101909289．44-56．2510．8

3 修復(fù)措施

在罐體安裝過程中會造成多處變形，早已被加強(qiáng)圈、抗風(fēng)圈固定，因此應(yīng)放掉罐內(nèi)水，進(jìn)行多處罐壁割開加強(qiáng)圈、抗風(fēng)圈，并對罐壁進(jìn)行向內(nèi)、外張拉以矯正罐壁變形，同時對罐壁進(jìn)行局部頂升，將罐底板下間隙采取高壓吹砂填實等方法。

a)對罐壁采取了以下方法綜合修復(fù)：①對變形較大處的外側(cè)幾道抗風(fēng)圈及加強(qiáng)圈割開進(jìn)行應(yīng)力釋放；②割開罐壁焊接處進(jìn)行調(diào)整；③在抗風(fēng)圈割開處采用千斤頂調(diào)節(jié)罐壁變形；④在罐壁頂端變形較大處通過纜索向內(nèi)或向外張拉。

b)對罐底修復(fù)：在進(jìn)行高壓吹砂填充時，主要采取加強(qiáng)過程控制保證吹填的質(zhì)量，遵循“先邊緣后中間，先深部再淺部，斜吹，超吹，均移，隨吹隨檢”的原則。

4 結(jié)論與建議

針對某油庫6#儲罐，采用ANSYS建立有限元模型，對比分析了滿載時罐體未變形及變形兩種情況的應(yīng)力分布，通過變形罐體的應(yīng)力云圖可以看出該儲罐罐體已經(jīng)產(chǎn)生變形，且局部變形比較嚴(yán)重。變形前后應(yīng)力數(shù)據(jù)顯示罐體多處已經(jīng)超過260 MPa，處在材料屈服極限范圍內(nèi)，甚至接近于屈服極限上限290 MPa，具有一定危險。因此應(yīng)及時檢測其它儲罐并采取相應(yīng)措施防止罐體出現(xiàn)較大變形，以免影響油罐的安全運行。

[1] 孫新宇，李曉明，彭仁海，等．油罐安全運行與管理[M]．北京：中國石化出版社，2005．

[2] 武銅柱．大型立式油罐發(fā)展綜述[J]．石油化工設(shè)備技術(shù)，2004，25(3)：56-59．

[3] 潘家華，國光臣，高錫祺．油管及管道強(qiáng)度設(shè)計[M]．北京：中國石化出版社，2005．

[4] J.B.Denham, J Russell, C M R Wills. How to Design a 600,000-Bbl. Tank[J].Hydrocarbon Processing, 1968, 47(5): 137-142.

[5] 李國深．大型變截面圓柱罐壁和罐底的應(yīng)力分析[J]．力學(xué)與實踐，1979，1(4)：38-41．

[6] 吳天云．油罐應(yīng)力分析的新方法及其計算驗證[J]．石油化上設(shè)備，1997，26(5)：15-19．

[7] 傅強(qiáng)，陳志平，鄭津洋．彈性基礎(chǔ)上大型石油儲罐的應(yīng)力分析[J]．化工機(jī)械，2002，29(4)：210-213．

TheAnalysisofStressandRiskAssessmentofCrudeOiltank

Zhang Jinsuo

(PetroChina Changqing Oilfield Branch, Shanxi, Xi′an, 710018)

Aiming at a depot 6 # tanks, using ANSYS finite element model, meshing their tank wall unit, comparative analysis of the deformation and stress distribution of the tank is not deformed in both cases at full load, by deforming the tank the stress cloud can be seen in the tank body has been deformed, and the local deformation is more serious. Deformation stress before and after data showed the tank is already in material yield many within limits, even close to the upper limit of the yield limit 290Mpa, has a certain risk. Therefore, it is timely detection of other tanks and take appropriate measures to prevent the emergence of large deformation of the tank, so as not to affect the safe operation of the tank.

oil tank; finite element model; stress distribution; yield limit; risk analysis

2016-01-13

張金鎖，工程師，畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)，本科，目前在中國石油長慶油田分公司安全環(huán)保處從事工業(yè)安全管理工作。