常壓儲罐底板檢漏儀的設計及其空氣運動學數值模擬

侯 靜，任國棟

（新疆維吾爾自治區特種設備檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引 言

大型立式圓筒形儲罐是石油和化工等企業用來儲存液體原料及產品的主要設備。由于目前原油、化工產品的進出口量日益增多,越來越多地需要使用大型儲罐,石油和化工儲罐的大型化是一種發展趨勢。但是，當儲罐的容積增大,其罐底占地面積大，造成的危害也相應增大，對儲罐的基礎沉陷要求也提高，如果基礎沉陷過大,就有可能造成罐底板變形,造成的應力過大,儲罐底板焊縫就可能會出現裂縫。因此，底板承受的壓力最大，最危險，故對儲罐底板檢測顯得尤為重要。

1 常壓儲罐底板的設計

相比前面所提的罐頂、罐壁的設計,大型立式儲罐罐底的設計同樣不可疏忽。罐底除了承受儲罐自身的重力外,還要受到儲液的靜力和基礎沉降所產生的附加力等,罐底板邊緣部分受力狀況非常復雜。

1.1 排板方式

我國現行的三個標準均明確規定,儲罐內徑在12.5m以下的罐底板可以采用不設環形邊緣板的形式,當儲罐內徑在12.5m以上時,罐底板應設邊緣板［1］。罐底板本身所受的應力較小,但罐底邊緣由于受到罐壁、儲液、基礎環梁等的作用,因而對罐底邊緣板的要求比較高。對儲罐內徑在12.5m以上的儲罐,其底板的邊緣板厚度與其相聯接的罐壁壁板的厚度有關,各自對應的數值在我國現行的三個標準中均有規定。

圖1 條形排版罐底圖

圖2 弓形邊緣板罐底

1.2 石化標準底板設計要求

根據SH 3046—92的設計要求，罐內直徑小于 12.5 m時，罐底宜采用條形底板，如圖1；罐內直徑大于 12.5 m時罐底宜采用弓形邊緣板，如圖2。底板接頭可采用搭接或對接或搭接與對接組合[2]。罐底板的搭接接頭，如圖3。

圖3 罐底板的搭接接頭

2 底板檢漏儀的設計

2.1 底板檢漏儀的工作原理

底板檢漏儀與被檢測底板理想狀態時保持密封，經過軟管與檢漏儀上部出口孔與真空泵入口相連。當底板檢漏儀內部壓力小于外部壓力是，就形成壓力差，使得檢漏儀外部氣體有進入內部的趨勢。如果底板有泄漏的地方，就可以通過澆過發泡水或肥皂水的底板上看到有氣泡產生，便可斷定泄漏的部位。

2.2 底板檢漏儀的設計模型

考慮到底板檢漏成本，以方便快捷實用的思路來設計檢漏儀。利用大型三維模型設計軟件UGNX4.0進行設計，首先建立搭接底板模型，再在搭接底板模型上面裝配一個矩形容器，頂部留有60 mm孔，是用來與泵連接抽氣的出口孔。材質設計為透明的有機玻璃或工程塑料，如圖4所示加工。

圖4 檢漏儀設計模型

2.3 最終模型的確立

最終建立的三維模型，如圖5所示，從側面看留有一定的間隙。盡管不同的罐底搭接厚度大致一樣，但是還是有一些是不一樣的，比如常見的有10 mm,15 mm厚的鋼板搭接。但是也有其他厚度的鋼板搭接，為了提高在任意厚度搭接底板都能使用的概率，故設計有如圖6所示的縫隙。但是在檢漏儀外部四周固定薄而軟的橡膠，在外壓力的作用下最好能使軟橡膠緊密與地板貼緊，而實際過程中仍然是不可能做檢漏儀與地板完全密封的。所以在檢驗過程中，大致兩側的孔最大是10~15 mm,盡管如此，依然不會影響到檢驗檢測的。

圖5 在模型放在罐底側面圖

圖6 在模型放在罐底正視圖

3 真空檢漏儀的空氣流場數值模擬及檢測有效區的測定

3.1 檢漏儀空氣進出口的設定

如圖7所示，左下側和右下側都有直徑約15 mm的小孔，用來假設軟橡膠與搭接底板的縫隙。實際檢驗過程中，縫隙并非是圓形，這里保守地取直徑為15 mm的小孔來模擬縫隙，具體模型，如圖7所示。由圖8可以看出，內部空氣流場分布不均勻，從流線來看，形成了渦流。因此，此模型從動力學角度來考慮，是不適宜的。應該更改模型結構。但考慮是常壓設備，此模型已足以滿足檢驗需求。

圖7 數值模擬縫隙等效三維模型圖

圖8 檢漏儀中的空氣流線分布特性

3.2 空氣在檢漏儀中的速度矢量分布

由圖9可以看出：流體在兩個進口和一個出口流速都比較快，在左側形成速度較快的渦流，這對于檢測是不利的。由圖10看出，空氣的速度流向與大小，有的地方速度快，有的地方速度慢。空氣的速度流向均由兩小孔流入空氣，流向出氣口。而且在出口正對的底部幾乎是沒有空氣到達的地方，所以此地方為最理想的地方。可是這樣的地方面積很小。用標尺測的長度約為110 mm，用標尺測得空氣小孔入口兩內側15 mm內是有效檢測區。

圖9 空氣在檢漏儀中的流場速率分布

圖10 空氣在檢漏儀中的流場速度矢量分布

3.3 空氣在檢漏儀中的壓力梯度分布

3.3.1 壓力梯度

由于氣壓分布不均勻而作用于單位質量空氣上的力,其方向由高壓指向低壓。有時又稱為氣壓梯度力。事實上并不是真正意義上的“力”，它其實是由于氣壓不同而產生的空氣加速度(即單位質量所受的力)。它是產生從高氣壓區向低氣壓區的空氣加速度的原因，產生風。

3.3.2 壓力梯度力的計算

對水平氣壓梯度力進行分析。

圖11 單元受力

因此，作用于單位質量空氣塊上的凈壓力（氣壓梯度力）G

由于氣壓梯度：﹣▽p，氣壓梯度的方向：垂直于等壓線，由高壓指向低壓。所以，氣壓梯度力的方向：垂直于等壓線，由高壓指向低壓。

同理，可以推出：

其中，水平氣壓梯度力是形成風的原始動力。所以，圖12空氣在檢漏儀中的平面壓力梯度分布情況，說明進出口的壓力梯度比較大，最大值達到（2.6×102）kg·m-2·s-2，它的矢量方向，如圖13所示。三維壓力梯度的最大值也為（2.6×102）kg·m-2·s-2，但是它的方向卻與二維的不一樣。但是兩者的共同點是形成了風。這對檢測有效檢測長度和氣泡的形成是非常不利的。

圖12 空氣在檢漏儀中的平面壓力梯度分布

圖13 空氣在檢漏儀中的三維壓力梯度分布

4 結 論

1）模型的設計可以滿足檢驗需求。但是泵的功率不能太大。否則影響檢測有效區域。通過圖8、圖10,用標尺測得空氣小孔入口兩內側15 mm內是有效檢測區。

2）由圖12和13得出，檢漏儀內部有風的形成，這對檢測是非常不利的，影響氣泡的產生和觀察。

3）模型內空氣流線光滑，平緩，盡量沒有渦流的產生和風的形成。

4）對于常壓儲罐，可以滿足基本的檢驗要求。

5）對于常壓儲罐的對接和搭接底板均可實用此檢測儀。方便快捷，低成本，高效率的完成檢漏任務。

總之，大型立式圓筒形儲罐的使用是目前國內外的發展趨勢,設計與制造簡單檢漏儀等方面的一些問題是十分必要的。根據多年從事大型立式儲罐檢驗,將設計的模型投入應用，效果良好。為今后的此類設計工作奠定了一定的基礎。

[1] 中國石油化工總公司.SH 3046—1992石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲罐設計規范[S].北京：中國石化出版社，1992：3-5.

[2] 陸志良.空氣動力學[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.