靜壓下固定頂儲(chǔ)罐弱壁結(jié)構(gòu)保護(hù)性能研究

萬(wàn)昊天喻健良焦國(guó)棟

（1.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024；2.河南省輕工業(yè)科學(xué)研究所有限公司，河南 鄭州 450003）

靜壓下固定頂儲(chǔ)罐弱壁結(jié)構(gòu)保護(hù)性能研究

萬(wàn)昊天1喻健良1焦國(guó)棟2

（1.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024；2.河南省輕工業(yè)科學(xué)研究所有限公司，河南 鄭州 450003）

針對(duì)儲(chǔ)罐弱頂結(jié)構(gòu)保護(hù)性能有限的現(xiàn)狀，本文提出一種新型的弱連接結(jié)構(gòu)——弱壁，并設(shè)計(jì)制造DN 500和DN 3100兩種小尺寸弱壁儲(chǔ)罐。通過(guò)試驗(yàn)手段對(duì)弱壁結(jié)構(gòu)作為儲(chǔ)罐弱連接保護(hù)結(jié)構(gòu)的可行性進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，弱壁結(jié)構(gòu)設(shè)置不僅能使儲(chǔ)罐失效時(shí)破裂裂口位置從罐底板的大角焊縫處轉(zhuǎn)移至弱壁焊縫處，還能降低罐底提離的高度，DN 500和DN 3100兩種尺寸的儲(chǔ)罐的罐底提離高度分別降低了18.2%和13.8%。因此，弱壁結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)罐有弱連接保護(hù)作用。

靜壓；弱壁結(jié)構(gòu)；試驗(yàn)研究；儲(chǔ)罐安全

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，對(duì)化石燃料的需求量不斷增加，特別是石油［1］。為了能夠滿足我國(guó)自身發(fā)展的需求，建立大型石油儲(chǔ)備庫(kù)具有重要的戰(zhàn)略意義。在如此規(guī)模的油氣儲(chǔ)備庫(kù)中，大型儲(chǔ)罐的安全問(wèn)題十分重要。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)石化事故特別是油氣儲(chǔ)罐事故頻發(fā)，且通常伴隨著多米諾效應(yīng)，給國(guó)家造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

為了在事故蔓延前給救援和處理爭(zhēng)取更多的時(shí)間，避免罐區(qū)災(zāi)害的多米諾效應(yīng)，儲(chǔ)罐通常被要求削弱罐頂板與包邊角鋼的連接處的焊縫強(qiáng)度，成為弱頂結(jié)構(gòu)［2］。弱頂保護(hù)效果是指，當(dāng)儲(chǔ)罐遭受意外超壓時(shí)，破裂失效發(fā)生在頂部弱連接位置而非罐壁或罐底大角焊縫處，這樣既可以防止儲(chǔ)罐整體失效，又可以避免內(nèi)部介質(zhì)外泄引起多米諾效應(yīng)。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)弱頂結(jié)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)展了很多研究，雖然弱頂結(jié)構(gòu)有很大的優(yōu)勢(shì)，但仍有許多問(wèn)題亟待解決。①弱頂定義不明確，目前國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)于弱頂?shù)亩x存在一定的差異。許蘊(yùn)博［3］按照國(guó)內(nèi)外不同規(guī)范對(duì)四種不同體積的大型儲(chǔ)罐進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)只有根據(jù)SH 3046［4］設(shè)計(jì)的儲(chǔ)罐參數(shù)滿足弱頂結(jié)構(gòu)的定義，而GB 50341［5］和API 650［6］均不滿足。②弱頂保護(hù)作用不理想。國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)定義不一導(dǎo)致弱連接結(jié)構(gòu)不易達(dá)到，即使設(shè)計(jì)參數(shù)滿足弱頂要求，某些工況下弱頂對(duì)儲(chǔ)罐的保護(hù)作用并不理想。對(duì)2萬(wàn)m3拱頂儲(chǔ)罐的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拱頂曲率半徑小于儲(chǔ)罐直徑時(shí)，特別在滿載工況下，弱頂結(jié)構(gòu)并不具有弱頂保護(hù)作用。③研究手段單一，研究?jī)?nèi)容有限。限于真實(shí)儲(chǔ)罐尺寸大，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本過(guò)高，目前國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)有限元分析對(duì)弱頂儲(chǔ)罐進(jìn)行研究［7-9］，研究?jī)?nèi)容集中在幾種工況（空載、半載和滿載）下，靜載荷作用對(duì)弱頂儲(chǔ)罐失效形式的影響，并對(duì)弱頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究手段局限于理論分析和有限元模擬，試驗(yàn)研究幾乎沒(méi)有。

表1 試驗(yàn)儲(chǔ)罐幾何參數(shù)

通過(guò)對(duì)上述現(xiàn)狀的分析，本文對(duì)弱頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些改進(jìn)，提出另一種弱連接結(jié)構(gòu)——弱壁結(jié)構(gòu)。并通過(guò)試驗(yàn)方法研究靜壓下弱壁結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)罐的保護(hù)性能，重點(diǎn)觀察和分析弱壁儲(chǔ)罐失效破壞裂口的出現(xiàn)位置，更加客觀地評(píng)價(jià)弱壁結(jié)構(gòu)作為儲(chǔ)罐安全設(shè)計(jì)技術(shù)的可行性。

1 試驗(yàn)設(shè)備與流程

靜壓（或物理超壓）是儲(chǔ)罐等化工容器經(jīng)常面臨的工況，也是有可能使儲(chǔ)罐發(fā)生危險(xiǎn)的最常見(jiàn)工況。為了驗(yàn)證弱壁結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)罐的保護(hù)性能，本文通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)比研究DN 500和DN 3100的常規(guī)儲(chǔ)罐和弱壁儲(chǔ)罐在靜壓作用下失效破裂位置和罐底提離高度。

1.1 弱壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

弱壁結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。該結(jié)構(gòu)位于頂部包邊角鋼下方的罐體壁面，人為地將該處罐體壁面分為兩部分，并用尺寸更小的角鋼進(jìn)行焊接連接。弱壁角鋼與上壁面進(jìn)行搭接連接，弱壁角鋼與搭接角鋼的焊接焊縫稱為弱壁焊縫。

圖1 弱壁結(jié)構(gòu)與弱頂結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的小尺寸儲(chǔ)罐幾何參數(shù)如表1所示。相比弱頂結(jié)構(gòu)，弱壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩點(diǎn)。一是易于設(shè)計(jì)。弱壁處可以用尺寸更小的角鋼。不僅可以減小有效連接處的有效連接面積，還可以降低焊角高度，使弱連接處焊縫強(qiáng)度更弱。二是儲(chǔ)罐承壓能力不會(huì)再因弱連接的限制而降低。由于弱連接位置的改變，儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)對(duì)儲(chǔ)罐罐頂板曲率半徑和連接處罐頂板坡度等的要求降低。

1.2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程如圖2所示。試驗(yàn)通過(guò)加壓泵向罐內(nèi)加壓直至儲(chǔ)罐破裂，罐頂安裝壓力傳感器記錄儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力。罐頂焊縫、弱壁焊縫和底部焊縫均貼有應(yīng)變片，能夠記錄加壓過(guò)程中焊縫處的應(yīng)變情況。試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量罐底邊緣提離高度，并觀察和分析裂口位置。試驗(yàn)所需設(shè)備及參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 試驗(yàn)流程圖

表2 主要試驗(yàn)設(shè)備及其參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 儲(chǔ)罐加壓過(guò)程分析

相比DN 500儲(chǔ)罐，DN 3100儲(chǔ)罐尺寸更大，加壓過(guò)程中變形更加明顯，因此本文以DN 3100儲(chǔ)罐為例對(duì)試驗(yàn)中儲(chǔ)罐的加壓過(guò)程進(jìn)行分析。

2.1.1 DN 3100常規(guī)儲(chǔ)罐。按照罐內(nèi)壓力與罐體變形的情況，常規(guī)儲(chǔ)罐的物理超壓試驗(yàn)過(guò)程可分為4個(gè)階段，如圖3（a）所示：①穩(wěn)壓變形階段，如圖3（a）中的2～7min，該階段中罐底不斷膨脹提離，導(dǎo)致儲(chǔ)罐體積增大，因此罐內(nèi)壓力無(wú)明顯變化；②快速升壓階段，如圖3（a）中的8～14min，隨著液態(tài)水壓力不斷增加，罐底膨脹速度減緩，但罐內(nèi)壓力快速增加；③壓力波動(dòng)階段，如圖3（a）中的14～19min，此階段中頂部壓力繼續(xù)上升，罐底板邊緣一次出現(xiàn)3個(gè)屈曲坑，屈曲坑的出現(xiàn)會(huì)引起儲(chǔ)罐體積發(fā)生變化，所以罐內(nèi)壓力有3次先減小后增加的波動(dòng)；④焊縫破裂，第19分49秒罐底焊縫達(dá)到強(qiáng)度極限，發(fā)生失效破裂，此時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)壓為78kPa。

2.1.2 DN 3100弱壁儲(chǔ)罐。按照罐內(nèi)壓力與罐體變形的情況，弱壁儲(chǔ)罐的物理超壓試驗(yàn)只有3個(gè)階段：如圖3（b）所示：①快速升壓階段，如圖3（b）中的1～31min，此階段中罐內(nèi)壓力快速上升，罐底提離緩慢發(fā)生，且提離高度小于常規(guī)儲(chǔ)罐；②壓力波動(dòng)階段，如圖3（b）中的31～43min，此階段與常規(guī)罐類似，罐內(nèi)壓力繼續(xù)上升，罐底板一次出現(xiàn)3個(gè)屈曲坑，導(dǎo)致壓力出現(xiàn)三次波動(dòng)；③焊縫破裂，第48分鐘儲(chǔ)罐弱壁焊縫達(dá)到強(qiáng)度極限，發(fā)生失效破裂。

圖3 DN 3100儲(chǔ)罐拱頂壓力變化曲線

由于弱壁結(jié)構(gòu)的設(shè)置減少了罐底板的變形程度，而其自身的變形貫穿整個(gè)加壓過(guò)程，因此弱壁儲(chǔ)罐在加壓過(guò)程中并無(wú)穩(wěn)壓變形階段。

2.2 罐底提離高度

試驗(yàn)后在罐底外側(cè)一周選擇4個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)罐底板邊緣的提離高度進(jìn)行測(cè)量并計(jì)算平均值，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，DN 500常規(guī)儲(chǔ)罐的周向4個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均提離高度為39.75mm，而弱壁儲(chǔ)罐平均提離高度只有32.5mm，降低了18.24%。DN 3100常規(guī)儲(chǔ)罐和弱壁儲(chǔ)罐的測(cè)量平均值分別為175.25mm和151mm，相比之下，降低了13.8%。

表3 罐底提離高度（mm）

對(duì)小尺寸儲(chǔ)罐，弱壁結(jié)構(gòu)的設(shè)置能夠降低罐底的提離距離，減少罐底板處的應(yīng)力集中，但降低的程度隨著儲(chǔ)罐體積的增大有所減小。

2.3 儲(chǔ)罐失效破裂位置

圖4顯示的是儲(chǔ)罐在內(nèi)壓作用下變形情況和失效破裂位置。加壓后，DN 500常規(guī)儲(chǔ)罐底部發(fā)生明顯提離，如圖4（a）所示，罐內(nèi)壓力達(dá)到5.2MPa時(shí)在底部大角焊縫處發(fā)生破裂；DN 500弱壁儲(chǔ)罐底部提離不如常規(guī)儲(chǔ)罐明顯，儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力達(dá)到4.2MPa時(shí)，儲(chǔ)罐弱壁及拱頂結(jié)構(gòu)整體被掀起，弱壁處氬弧焊縫部位被整齊撕開(kāi)，如圖4（b）所示，破裂時(shí)伴隨有類似爆炸的強(qiáng)烈聲響。

DN 3100常規(guī)罐加壓后罐體明顯發(fā)生鼓脹，罐底還伴有屈曲坑的出現(xiàn)，最終在拱頂壓力到達(dá)78kPa時(shí)底部屈曲坑處焊縫破裂，如圖4（c）所示；DN 3100弱壁儲(chǔ)罐加壓后罐體鼓脹和罐底提離程度不如常規(guī)儲(chǔ)罐，但罐底也出現(xiàn)了3個(gè)屈曲坑，最終在壓力70kPa時(shí)在弱壁結(jié)構(gòu)處發(fā)生失效破裂，如圖4（d）所示。

從表4中可以看出，弱壁結(jié)構(gòu)的設(shè)置使小尺寸儲(chǔ)罐在內(nèi)壓作用下失效破裂位置由原來(lái)的罐底大角焊縫轉(zhuǎn)移至弱壁結(jié)構(gòu)處的弱壁焊縫。相同焊角高度的情況下，弱壁結(jié)構(gòu)還可以降低儲(chǔ)罐的失效壓力，保證儲(chǔ)罐在弱壁連接部分發(fā)生破壞，防止內(nèi)部介質(zhì)向外泄漏。

表4 儲(chǔ)罐破裂位置和壓力

3 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)研究的方法對(duì)弱壁結(jié)構(gòu)在靜壓下對(duì)儲(chǔ)罐的弱連接保護(hù)性能的可行性進(jìn)行了研究，并對(duì)儲(chǔ)罐失效裂口位置和罐底提離距離進(jìn)行了分析和討論，得出以下結(jié)論。

圖4 儲(chǔ)罐變形與破裂位置示意圖

①弱壁結(jié)構(gòu)的設(shè)置使弱壁儲(chǔ)罐的加壓過(guò)程比常規(guī)儲(chǔ)罐少了一個(gè)穩(wěn)壓變形階段。但兩種儲(chǔ)罐在加壓后期由于屈曲坑的出現(xiàn)，都有明顯的壓力波動(dòng)。

②對(duì)于小尺寸的固定頂儲(chǔ)罐，弱壁結(jié)構(gòu)的設(shè)置能夠使儲(chǔ)罐在靜壓作用下失效時(shí)破裂裂口位置由罐底大角焊縫轉(zhuǎn)移至弱壁焊縫。

③相同焊角高度的情況下，弱壁儲(chǔ)罐的破裂壓力略低于常規(guī)儲(chǔ)罐的破裂壓力。

④弱壁結(jié)構(gòu)的設(shè)置能夠降低罐底提離的高度，DN 500和DN 3100兩種尺寸的儲(chǔ)罐降低的幅度分別為18.2%和13.8%，而且降低幅度隨著儲(chǔ)罐內(nèi)徑的增大而減小。

⑤對(duì)小尺寸儲(chǔ)罐，弱壁結(jié)構(gòu)具有良好的弱連接保護(hù)效果，它的設(shè)置能夠保證儲(chǔ)罐在遭受意外超壓時(shí)在弱壁連接處發(fā)生破壞，防止內(nèi)部介質(zhì)向外泄漏，避免罐區(qū)事故的多米諾效應(yīng)。

［1］錢興坤，姜學(xué)峰.2014年國(guó)內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展概述及2015年展望［J］.國(guó)際石油經(jīng)濟(jì)，2015（1）：35-43.

［2］Wu TY，Liu GR.Comparison of design methods of a tankbottom annular Plate and correct ring-wall International［J］.Journal of pressure vessels and Piping，2000（9）：511-517.

［3］許蘊(yùn)博.103～104m3立式拱頂儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析與弱頂結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)［D］.大慶：東北石油大學(xué)，2011.

［4］中國(guó)石油化工總公司.SH 3046-1992.石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)石化出版社，1992.

［5］中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司.GB 50341-2014.立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2015.

［6］American Petroleum Institute.API 650-2009，Welded Steel Tanks for Oil Storage［S/OL］.[2017-04-01].http://www.doc88. com/p-9979569369509.html.

［7］于清，王一軍，許躍新，等.大型儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展［J］.新疆石油天然氣，2006（4）：73-75，92，103.

［8］ZP Chen，YY Duan，JL Jiang.A simplified method for calculating the stress of large oil storage tank wall［J］.IMechE Part E：J.Process Mechanical Engineering，2007（3）：119-127.

［9］吳龍平，明斐卿，羅麗華，等.國(guó)內(nèi)外大型儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2010（12）：933-936.

Study of Weak Wall Structure of Fixed Roof Storage Tank under Static Pressure

Wan Haotian1Yu Jianliang1Jiao Guodong2
（1.Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024；2.Henan Light Industry Scientific Research Institute Co.,Ltd.，Zhengzhou Henan 450003）

A new kind of weak link,weak wall structure was designed in order to enhance the limited protection offered by weak roof structure.Two different sizes of weak wall storage tanks were manufactured and were used to study the protecting feasibility through experiments.The results showed that the weak wall structure could not only change the location of crevasse from bottom welded line to weak wall welded line,but also decrease the uplifting height of the bottom board rim.It decreased by 18.2%in DN 500 experiments and 13.8%in DN 3100 experiments.It means that weak wall structure could protect storage tanks from Dominic Effect effectively.

static pressure；weak wall；experimental study；tank safety

TE972

A

1003-5168（2017）05-0071-04

2017-04-15

萬(wàn)昊天（1990-），男，碩士，助理工程師，研究方向：化工安全與評(píng)估，機(jī)械與過(guò)程控制。