原油儲罐變形對壁板應力分布的影響分析及風險評估

田 雨 向 蓉 劉仲敕 史書朋 岳 陽

1常州大學石油工程學院2長慶油田采油二廠3青海油田公司管道輸油處4青海油田機械廠

原油儲罐變形對壁板應力分布的影響分析及風險評估

田 雨1向 蓉2劉仲敕2史書朋3岳 陽4

1常州大學石油工程學院2長慶油田采油二廠3青海油田公司管道輸油處4青海油田機械廠

采用有限元軟件ANSYS對某油罐進行模擬分析計算，比較儲罐滿載時罐體未變形與罐體變形兩種情況的應力分布，得出該儲罐罐體已經產生變形，且局部變形比較嚴重，對儲罐壁板的應力分布有明顯影響。通過應力分布計算和變形前后應力結果數據比較可知，罐體中下部的多處應力達到261～294 MPa，已經處在罐體材料屈服極限的范圍內，且個別點的應力基本達到屈服極限上限290 MPa，具有一定危險。因此建議對其它油罐也進行變形檢測，防止罐體出現較大變形，影響油罐的安全運行。

原油儲罐；應力分布；有限元模型；屈服極限；安全評價

儲罐長期服役過程中，罐壁由于腐蝕而減薄，導致臨界載荷嚴重降低，在風壓和罐內負壓的作用下，當外壓大于罐壁的臨界載荷時，罐壁產生失穩，不僅影響儲罐正常使用，且危及企業安全，會造成嚴重的經濟損失[1]。對油罐壁板腐蝕失效處理，我國仍然采用傳統的事后維修管理模式[2]。大面積的更換和頻繁的大修，不僅嚴重影響了油罐的正常運行，還帶來了新的安全隱患。事實證明，對油罐壁板實施科學評估，進而確定合理的檢修周期，制定有針對性的檢修策略是預防壁板失效和避免過度檢修的有效途徑。油罐壁板失效的最終表現形式為過度變形、斷裂和泄漏，而應力、應變等過大是引起失效的最直接原因[3]。

某油田儲運銷售分公司所屬各油庫有很多原油和成品油儲罐，這些油罐已運行多年。選擇1座典型的經過大修的原油儲罐，對其壁板的變形情況、基礎沉降量、罐底板腐蝕狀況、存在的裂紋缺陷及變化規律進行評價研究[4]。

1 油罐檢測

該儲罐為10×104m3原油儲罐，儲罐內徑為80 000 mm，罐壁高度為21 000 mm，各罐壁板厚度及高度如表1所示。

表1 罐壁板厚度及高度mm

對該油罐進行檢測發現：①聲發射檢測結果表明，罐底板有輕微腐蝕，但沒有關于油罐裂紋的檢測結果；②根據該罐的罐體圈板橢圓度、量油管和扶正管的垂直度監測數據，得出罐壁板有較大變形。

因此，應確定該罐的具體應力分布狀況，評價油罐罐體的變形對油罐強度的影響，為罐體的下一步防護提供科學的指導依據。

2 油罐應力分析

采用有限元軟件ANSYS建立油罐的有限元模型，如圖1所示。

圖1 罐體有限元模型

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，原油的密度為0.85 t/m3，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。

從上到下測量各圈罐壁板的變形情況，其中第一、二圈壁板變形如圖2所示。

3 模型處理

圖2 第一、二圈壁板變形情況

對罐壁板采用殼體單元進行網格劃分。分別計算了儲罐滿載時罐體未變形與罐體變形兩種情況的應力分布，并進行了比較。

（1）罐體未變形時的應力分布。未變形罐體為理想圓筒，罐壁各處的應力與環向位置無關，僅與高度有關，從上到下，罐壁上的應力越來越大，最大應力為260 MPa，如圖3所示。參照同類油罐的設計資料，罐壁材料的許用應力取260～290 MPa，目前最大應力小于罐壁材料的許用應力。

圖3 未變形罐體的應力云圖

（2）罐體變形后的應力分布。罐體變形后，罐體的形狀發生了不規則變化，使管壁的受力狀況惡化，圖4是變形罐體的應力云圖。該圖顯示，由于罐壁的變形，罐壁上的應力分布極不均勻。其中罐體變形后的最大應力位于罐體有限元模型中的節點1 185處，具體位置為正西方，距地面高為7.2 m。其Mises等效應力值為293 MPa，達到罐體材料的屈服極限的上限，而該處在未變形前的等效應力值為210 MPa，應力增大了39.5%，該處的應力分布云圖見圖5。罐壁應力超過260 MPa的點較多，這里只列出一小部分，見表2。

圖4 變形罐體的應力云圖

圖5 最大應力點的應力云圖

表2 Mises等效應力超過260 MPa的部分位置點

4 結語

通過計算分析可知，該儲罐罐體變形明顯，影響到罐壁板的應力分布，比較變形前后應力數據可知，罐體中下部的多處應力達到261～294 MPa，已經處在罐體材料屈服極限范圍內，且個別點的應力基本達到屈服極限上限290 MPa，因此有一定危險。建議進一步查找罐體變形的原因，從根本上防止罐體的進一步變形；對其它油罐也可考慮進行變形檢測，防止罐體出現較大變形，影響油罐的安全運行。

[1]趙雪娥，蔣軍成．原油油罐的腐蝕機理研究及防護技術現狀[J]．中國安全科學學報，2005，15（3）：104-107．

[2]張足斌，王海琴．油氣管道與油罐設計[M]．北京：中國石油大學出版社，2012：39-42．

[3]Lu M W．Two step approach of stress classification and primary structure method[J]．Pressure vessel technology，2000，22（1）：2-8．

[4]曲曉建，李玉坤，段冠，等．大型儲罐罐底及邊緣板應力分析方法的對比[J]．油氣儲運，2011，30（12）：919-922．

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.012

2015-06-16