儲罐不均勻沉降底板腐蝕聲發(fā)射特性模擬試驗

(東北石油大學 機械科學與工程學院， 大慶 163318)

大型鋼制儲罐因具有薄壁、耐高壓和良好的密閉性等特性，而廣泛應用于石油石化行業(yè)中[1]。由于大型儲罐大多建造在沿海等比較松軟的土地上，地基的不穩(wěn)定易使儲罐發(fā)生不同程度的沉降。這種不均勻沉降會影響儲罐的正常運行，嚴重時會帶來重大的安全隱患[2-4]。儲罐在不均勻沉降過程中，罐底板與罐壁板會發(fā)生相應的應力集中和徑向位移變化，從而使罐底板產(chǎn)生扭曲以及罐壁板產(chǎn)生內(nèi)凹或外凸的現(xiàn)象，也會使罐底板與罐壁板的焊縫處發(fā)生撕裂[5-6]。MALIK[7]提出使用傅里葉諧波法對儲罐的不均勻沉降進行模擬。JONAIDI等[8-9]對不同類型的大型鋼制浮頂型儲罐進行了線性的靜力學研究。

浙江大學空間結(jié)構(gòu)研究中心分析了不同類型鋼儲罐在罐周不均勻沉降下的結(jié)構(gòu)響應，并且指出目前的沉降控制標準不合理，應該充分考慮地基變形對儲罐結(jié)構(gòu)的影響[10]。在儲罐檢測方面，東北石油大學李偉、戴光等[11]利用聲發(fā)射技術(shù)對儲罐底板狀態(tài)進行在線檢測，取得了一定的研究結(jié)果。大量研究表明，儲罐發(fā)生不均勻沉降后會加速罐底板的腐蝕。因此加強對儲罐不均勻沉降和儲罐底板腐蝕情況的檢測，對維護儲罐的安全運行有非常重要的作用。

筆者針對儲罐不均勻沉降條件下底板的受力狀態(tài)和腐蝕速率變化進行數(shù)值模擬和試驗研究，結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)研究不同應力條件下底板腐蝕速率與聲發(fā)射特征之間的對應關(guān)系，并利用均方差得到對于不均勻應力腐蝕最為敏感的聲發(fā)射參量，以為相應條件下聲發(fā)射在線監(jiān)測提供技術(shù)依據(jù)。

圖1 不同沉降面積的儲罐應力分布圖

1 儲罐不均勻沉降數(shù)值模擬

應用ABAQUS有限元軟件進行儲罐不均勻沉降應力狀態(tài)數(shù)值模擬，分析在不同沉降面積的條件下，儲罐罐底板與罐壁板的應力變化以及應力集中部位。筆者選擇30°，45°，60°扇形等3個不同沉降面積進行儲罐有限元數(shù)值模擬分析(見圖1)，液位為滿液位狀態(tài)。

從圖1可看出當滿液位時，沉降面積為30°扇形面積的罐壁最大MISES應力(米塞斯應力)主要分布在底部靠近焊縫處，且罐底邊緣板部分的應力明顯大于中部未發(fā)生沉降部位的。沉降面積為45°扇形面積的罐壁板最大應力位置與30°的類似，只是分布范圍有所增大，邊緣板應力也呈現(xiàn)增大趨勢；沉降面積為60°扇形面積的罐壁板的最大應力分布區(qū)域較大，但最大應力值為1.478 MPa，較之前的應力值減小。由此可以看出，受不均勻沉降影響，罐底邊緣板和罐壁處均會出現(xiàn)應力增大趨勢，且主要分布位置集中于罐壁與罐底交界處以及邊緣板附近。

2 不均勻沉降時的應力與腐蝕速率試驗

針對數(shù)值模擬結(jié)果，儲罐在出現(xiàn)不均勻沉降情況下，罐底邊緣板處會呈現(xiàn)不均勻的分布狀態(tài)，由于儲罐中的原油等液體介質(zhì)多具有腐蝕性，且研究表明，不均勻應力往往會加速腐蝕的發(fā)展。因此為了得到在不均勻應力狀態(tài)下儲罐底板的腐蝕變化情況，試驗以常用的Q235材料立式儲罐為試件，設(shè)計受力模擬結(jié)構(gòu)，并在其中放入腐蝕液，以研究試件在不同濃度的酸性介質(zhì)腐蝕條件下應力變化與腐蝕速率之間的對應關(guān)系，得到腐蝕速率隨試件應力變化的演化趨勢。分別用質(zhì)量分數(shù)為2%，4%，6%，8%的酸性介質(zhì)進行應力變化與腐蝕速率變化試驗。同時為了得到應力及應變變化，在每個試件上布置兩個光柵光纖應變傳感器。

試驗裝置示意如圖2所示：試件放置在螺旋下壓裝置和試件板支撐裝置之間。采用積分法建立試件彎曲變形與不均勻應力之間的關(guān)系。試驗系統(tǒng)實物圖片見圖3。

圖2 試驗裝置示意

圖3 應力變化與腐蝕速率變化試驗系統(tǒng)實物

圖4 介質(zhì)濃度為2%時，試件應變-腐蝕速率的關(guān)系曲線

圖5 介質(zhì)濃度為4%時，試件應變-腐蝕速率的關(guān)系曲線

圖6 介質(zhì)濃度為6%時，試件應變-腐蝕速率的關(guān)系曲線

圖7 介質(zhì)濃度為8%時，試件應變-腐蝕速率的關(guān)系曲線

2.1 試驗結(jié)果分析

不同濃度介質(zhì)時，試件的應變-腐蝕速率的關(guān)系曲線如圖47所示(圖中濃度均為質(zhì)量分數(shù)，下同)，從圖中可以看出，隨著螺旋下壓裝置向下位移(應力變大)的不斷變化，試件應變在逐漸增大，此時腐蝕速率也呈現(xiàn)增大趨勢，但增長率有所減小。當向下位移增加到16 mm以后，試件所受應變有所減小并趨于平緩，判斷此時試件發(fā)生了塑性變形，而相應腐蝕速率也處于下降趨勢。而不同介質(zhì)濃度下，腐蝕速率隨著介質(zhì)濃度的增大呈現(xiàn)增大趨勢。由此可以看出，應力的變化與腐蝕速率的變化存在正相關(guān)的關(guān)系。

2.2 不均勻應力下腐蝕速率與聲發(fā)射特性分析

在腐蝕試驗的過程中，利用美國物理聲學公司的PCI-8聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)對整個腐蝕速率變化過程進行動態(tài)監(jiān)測，傳感器選用DP3I低頻傳感器，監(jiān)測頻率為20 kHz100 kHz，在裝置外側(cè)兩面均布4個傳感器，試驗裝置實物如圖8所示。

圖8 聲發(fā)射監(jiān)測試驗裝置實物

不同濃度介質(zhì)時，試件的聲發(fā)射參數(shù)變化曲線如圖912所示(圖中ASL表示有效值電壓，單位V；幅值單位為dB;計數(shù)和能量無量綱)。

由圖912可以看出，在不同腐蝕介質(zhì)濃度下，隨著螺旋下壓裝置向下位移的增加，相應濃度腐蝕介質(zhì)條件下聲發(fā)射的相關(guān)參量也隨之發(fā)生變化。聲發(fā)射特征參量撞擊數(shù)增大趨勢明顯，幅值、能量變化幅度較小，幅值在5070之間浮動，聲發(fā)射計數(shù)和能量值變化浮動較小，用于表征腐蝕速率隨不均勻沉降的變化規(guī)律的效果較差；觀察不同濃度條件下的聲發(fā)射參量數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，當腐蝕介質(zhì)質(zhì)量分數(shù)變?yōu)?%時，撞擊數(shù)相較于2%質(zhì)量分數(shù)時有所增大(由24增加到42)，且隨著質(zhì)量分數(shù)的繼續(xù)增大而增大，這說明腐蝕速率的增大會使得聲源信號明顯增多，而聲源信號的增多在聲發(fā)射檢測中更加明顯地體現(xiàn)在了撞擊數(shù)的經(jīng)歷變化上。

圖13 聲發(fā)射參量與腐蝕速率的方差值圖

圖9 介質(zhì)濃度為2%時，試件聲發(fā)射參數(shù)變化曲線

圖10 介質(zhì)濃度為4%時，試件聲發(fā)射參數(shù)變化曲線

圖11 介質(zhì)濃度為6%時，試件聲發(fā)射參數(shù)變化曲線

圖12 介質(zhì)濃度為8%時，試件聲發(fā)射參數(shù)變化曲線

為了進一步研究聲發(fā)射不同參量與腐蝕速率的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將4種不同腐蝕介質(zhì)濃度下的聲發(fā)射參量的撞擊數(shù)、幅值、計數(shù)、能量、ASL值以及腐蝕速率求平均值并取方差，計算出不同濃度與下壓裝置不同向下位移下聲發(fā)射參量與腐蝕速率的均方根差值，如式(1)所示。

(1)

式中：x為聲發(fā)射參量或腐蝕速率；為聲發(fā)射參量或腐蝕速率的平均值；n表示數(shù)量。

聲發(fā)射參量的方差值如圖13所示。由圖13(a)可以看出，在撞擊數(shù)的均方根差值圖中，隨著向下位移的增大，方差不斷增大，說明不均勻應力的大小對聲發(fā)射撞擊數(shù)的變化會產(chǎn)生重要的影響，同時隨著濃度的升高，撞擊數(shù)的差值增大，說明腐蝕速率的增大也會對撞擊數(shù)產(chǎn)生重要影響。由圖13(c)(f)可以看出，隨著下壓裝置向下位移的變化以及腐蝕介質(zhì)濃度的增加，幅值、計數(shù)、能量和ASL的方差變化幅度較小，這說明不均勻應力狀態(tài)下的聲源信號種類較為單一，基本聲源都屬于同類聲源，對于同類聲源利用幅值、能量等參數(shù)來分析演化規(guī)律的效果較差，由此在不均勻應力條件下進行聲發(fā)射檢測可以選擇撞擊數(shù)作為分析的主要參量，通過其時間經(jīng)歷變化情況來分析儲罐相應時刻的腐蝕狀態(tài)。

3 結(jié)論

(1) 隨著不均勻沉降面積的增加，罐底板與罐壁板的應力集中區(qū)域會出現(xiàn)在儲罐罐壁與底板交接部位以及儲罐沉降位置附近的邊緣板部位。

(2) 當應力恒定時，隨著腐蝕介質(zhì)濃度的增加，試件的腐蝕速率增大，且應力越大，試件的腐蝕速率越大。

(3) 當應力恒定時，隨著腐蝕介質(zhì)濃度的增大，聲發(fā)射參數(shù)特征參量也隨之增加；當腐蝕介質(zhì)濃度恒定時，試件的腐蝕速率隨著應力的增大而增大，聲發(fā)射參數(shù)的撞擊數(shù)也隨之增大，當試件的應力較大時，試件腐蝕速率的變化率要比應力較小時的變化率大，撞擊數(shù)的變化率也較大，進一步驗證了用撞擊數(shù)來判定不均勻沉降狀態(tài)下儲罐底板腐蝕情況的有效性。