地下儲油罐熱力學(xué)有限元分析

龔彥，張津，王海娟，李倩

（1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.寶石機(jī)械成都裝備制造分公司，四川 成都 610500；3.河南油田石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450000；4.川中油氣礦磨溪天然氣凈化廠，四川 遂寧 629001）

地下儲油罐熱力學(xué)有限元分析

龔彥1，張津2，王海娟3，李倩4

（1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.寶石機(jī)械成都裝備制造分公司，四川 成都 610500；3.河南油田石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450000；4.川中油氣礦磨溪天然氣凈化廠，四川 遂寧 629001）

在石油工業(yè)的中下游產(chǎn)業(yè)中，使用有許多埋藏在地下的儲油罐，其安裝好后常會因受溫度的影響造成油罐損壞而導(dǎo)致事故。因此儲油罐在投入使用之前進(jìn)行熱力學(xué)有限元分析，避免可能發(fā)生的事故是有必要的。針對小型加油站地下儲油罐，運(yùn)用有限元軟件ANSYS，采用耦合場分析的方法，計(jì)算地下儲油罐由溫度場引起的應(yīng)力場分布。根據(jù)儲油罐的軸對稱結(jié)構(gòu)，選擇過其對稱軸的一平面建立了地下儲油罐的二維平面模型，先計(jì)算了其瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題，再根據(jù)溫度分布計(jì)算儲油罐應(yīng)力場分布。通過計(jì)算得到儲油罐瞬時(shí)溫度場分布及儲油罐應(yīng)力場分布。計(jì)算結(jié)果表明，溫度場對儲油罐產(chǎn)生的等效應(yīng)力為拉應(yīng)力，在儲油罐設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮其影響。

儲油罐；溫度場；應(yīng)力場；有限元

0 引言

在石油工業(yè)的中下游產(chǎn)業(yè)中，諸如煉化、儲運(yùn)等行業(yè)，采用了許多地下儲油罐，因地下儲油罐所處的空間物理環(huán)境復(fù)雜，在生產(chǎn)活動中儲油罐經(jīng)常發(fā)生事故，給人們的生命安全和財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失［1］。地下儲油罐內(nèi)部儲油，外部蓋滿泥土，其受力情況非常復(fù)雜，總體來說它主要承受內(nèi)部油壓、外部土壓、結(jié)構(gòu)自重和上部不確定載荷外的同時(shí)，還要承受因溫度改變而引起的應(yīng)力。因此，地下油罐在投入使用時(shí)，有必要對其進(jìn)行熱力學(xué)的有限元仿真，并計(jì)算出因溫度改變而引起的儲油罐應(yīng)力變化和形變，校核其安全性，分析其失效形式及提出改進(jìn)措施，確保油罐在投入使用后的安全性，盡量減少因油罐事故造成的生命安全問題和經(jīng)濟(jì)損失。本文以與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的加油站地下油罐為例進(jìn)行熱力學(xué)分析。

1 地下儲油罐的熱力學(xué)模型建立

通常情況下，加油站的油罐罐體采用兩端為半球體，中間為圓柱體的軸對稱結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)常見的加油站規(guī)模，可設(shè)罐體的相關(guān)尺寸為，罐體總長4.4m，內(nèi)徑1m，壁厚20cm，儲油罐淺埋地下，距離地面高度為2m左右，罐體四周為泥土，建模時(shí)選取罐體四周的泥土尺寸為（6×8）m（如果選的更大，只會增加計(jì)算負(fù)擔(dān)，溫度在此范圍外無明顯變化）。在計(jì)算時(shí)，涉及到的材料基本參數(shù)如表1所示。

表1　相關(guān)材料的基本參數(shù)Tab1.Related Materials Parameters

建模時(shí)，選取單元類型為plane13。由于罐體是軸對稱結(jié)構(gòu)，故溫度分布和應(yīng)力分布也為軸對稱分布，且由彈性力學(xué)知，過罐體對稱軸的任一平面的應(yīng)力分布情況是相同的，因此，可任取一過對稱軸的平面進(jìn)行分析即可得到整過罐體的溫度分布和應(yīng)力分布情況。在ansys中建立平面模型，如圖1所示，在該圖中，面1代表汽油，面2代表油罐壁，面3代表土體。模型建好后，采用自由網(wǎng)格劃分。

圖1　在ANSYS中建立的幾何模型Fig.1 The geometric model in ANSYS

2 地下儲油罐溫度場的數(shù)值模擬

根據(jù)所選罐體的尺寸，計(jì)算得到罐體的容積約為10.5m3，罐體容積較小，因此注油時(shí)間較短，可假定油罐在瞬間注滿，在分析過程中可忽略因注油引起的熱量傳遞與散失［2～4］。在分析時(shí)，首先計(jì)算罐體中瞬時(shí)溫度場分布，并以此為溫度載荷，計(jì)算對應(yīng)時(shí)刻應(yīng)力場在罐體中的分布。要使得罐體常年安全工作，故取較為惡劣的計(jì)算條件，以驗(yàn)證溫度對其安全性的影響，設(shè)汽油的初始溫度為50℃（汽油的著火點(diǎn)為427℃），罐體和土體的初始溫度20℃。隨著時(shí)間的推移，汽油的溫度不斷降低，儲油罐及其周圍土體的溫度不斷升高。在ansys中，對不同時(shí)刻汽油、油罐和周圍土體的溫度場進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果如圖2所示，圖中單位℃。由圖2可以看出，儲油罐在注滿汽油后，1小時(shí)內(nèi)溫度場分布變化很快，罐內(nèi)邊界層的汽油溫度迅速下降，而儲油罐管壁溫度急劇上升，土體溫度也在快速變化。大約在1小時(shí)后，儲油罐的溫度場變化逐漸緩慢，周圍土體溫度的變化，較1小時(shí)前也明顯減慢。

圖2　油罐注油后溫度隨時(shí)間的變化Fig.2 The temperature variation with time after filling oil in tank

3 儲油罐溫度應(yīng)力的數(shù)值模擬

由前述分析可知，在油罐注滿油后的一小段時(shí)間內(nèi)，儲油罐沿壁厚方向溫度差較大，由于溫度升高，引起材料體積膨脹，罐體壁產(chǎn)生應(yīng)力，但溫度變化量不同，故同一材料熱變形量就不同。現(xiàn)在來分析罐體注滿油后，罐體壁各個(gè)方向所受應(yīng)力隨時(shí)間變化的關(guān)系。在圖3～圖5中，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位是s，縱坐標(biāo)為應(yīng)力，單位為Pa，其中，圖3所表示的是在油罐注滿油后，儲油罐在軸向方向，應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況，并在總體上表現(xiàn)為拉應(yīng)力，但在注油兩小時(shí)后油罐軸向應(yīng)力幾乎為0，略有受壓傾向，且應(yīng)力狀態(tài)穩(wěn)定。圖4所表示的是儲油罐在周向方向應(yīng)力變化情況，由圖可以看出，罐壁在周向幾乎一直處于受壓的狀態(tài)，但是，壓應(yīng)力隨著時(shí)間的推移逐漸減小，并且趨于穩(wěn)定狀態(tài)。圖5所表示的是儲油罐在徑向受應(yīng)力的情況，并表現(xiàn)為拉應(yīng)力，隨著時(shí)間的推移，拉應(yīng)力逐漸減小，大約兩小時(shí)后，拉應(yīng)力幾乎為0，且保持穩(wěn)定狀態(tài)。

Thermodynamic Finite Element Analysis of Underground Storage Tank

GONG Yan1，ZHANG Jin2，WANG Hai-Juan3，LI Qian4
（1.School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；2.Chengdu Equipment Manufacturing Branch Company，Baoji Oilfield MachineryCO.，LTD，Chengdu Sichuan 610500，China；3.Petroleum Engineering Technology Research Institute，HeNan Oilfield，Zhengzhou Henan 450000，Chnia；4.Moxi Natural Gas Purification Plant，Chuanzhong Hydrocarbon Mine，Suining Sichuan 629001，China）

Many storage tanks are used in midstream and downstream production of petroleum industry；they often affected by temperature and induced tank damage，which caused some accidents after installation.Thus，in order to avoiding possible accidents，it's necessary to make thermodynamic finite element analysis for storage tank before using.The paper aimed at small scale gas station's underground storage tank，used software ANSYS and coherent field analytic method to calculate stress field distribution which was caused by the temperature field of underground storage tank.According to axisymmetric structure of storage tank，the paper selected a plane through its symmetry axis to create two-dimensional model，calculated its transient heat conduction problems at first，and then calculated tank's stress field distribution based on temperature distribution.According to calculation，obtained the instantaneous temperature distribution of storage tank and tank's stress field distribution.The results showed that equivalent stress which was caused by temperature field on the tank was tensile stress，and it's should be considered its impact at designing storage tank.

storage tank；temperature field；stress field；finite element

圖3　儲油罐在軸向方向應(yīng)力隨時(shí)間的變化Fig.3 The variation of axial stress with time in tank

TP29

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.022

1002-6673（2015）02-065-03

2015-01-23

龔彥（1986-），男，四川樂山人，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士。主要從事石油機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)及研究工作。