地下儲油罐熱力學有限元分析

龔彥，張津，王海娟，李倩

（1.西南石油大學機電工程學院，四川 成都 610500；2.寶石機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.西南石油大學機電工程學院，四川 成都 610500；2.寶石機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）

在石油工業的中下游產業中，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致事故。因此儲油罐在投入使用之前進行熱力學有限元分析，避免可能發生的事故是有必要的。針對小型加油站地下儲油罐，運用有限元軟件ANSYS，采用耦合場分析的方法，計算地下儲油罐由溫度場引起的應力場分布。根據儲油罐的軸對稱結構，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，先計算了其瞬態熱傳導問題，再根據溫度分布計算儲油罐應力場分布。通過計算得到儲油罐瞬時溫度場分布及儲油罐應力場分布。計算結果表明，溫度場對儲油罐產生的等效應力為拉應力，在儲油罐設計時應考慮其影響。

儲油罐；溫度場；應力場；有限元

0 引言

在石油工業的中下游產業中，諸如煉化、儲運等行業，采用了許多地下儲油罐，因地下儲油罐所處的空間物理環境復雜，在生產活動中儲油罐經常發生事故，給人們的生命安全和財產造成了巨大的損失［1］。地下儲油罐內部儲油，外部蓋滿泥土，其受力情況非常復雜，總體來說它主要承受內部油壓、外部土壓、結構自重和上部不確定載荷外的同時，還要承受因溫度改變而引起的應力。因此，地下油罐在投入使用時，有必要對其進行熱力學的有限元仿真，并計算出因溫度改變而引起的儲油罐應力變化和形變，校核其安全性，分析其失效形式及提出改進措施，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濟損失。本文以與人們日常生活密切相關的加油站地下油罐為例進行熱力學分析。

1 地下儲油罐的熱力學模型建立

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構形式。根據常見的加油站規模，可設罐體的相關尺寸為，罐體總長4.4m，內徑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，只會增加計算負擔，溫度在此范圍外無明顯變化）。在計算時，涉及到的材料基本參數如表1所示。

表1　相關材料的基本參數Tab1.Related Materials Parameters

建模時，選取單元類型為plane13。由于罐體是軸對稱結構，故溫度分布和應力分布也為軸對稱分布，且由彈性力學知，過罐體對稱軸的任一平面的應力分布情況是相同的，因此，可任取一過對稱軸的平面進行分析即可得到整過罐體的溫度分布和應力分布情況。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值模擬

根據所選罐體的尺寸，計算得到罐體的容積約為10.5m3，罐體容積較小，因此注油時間較短，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，首先計算罐體中瞬時溫度場分布，并以此為溫度載荷，計算對應時刻應力場在罐體中的分布。要使得罐體常年安全工作，故取較為惡劣的計算條件，以驗證溫度對其安全性的影響，設汽油的初始溫度為50℃（汽油的著火點為427℃），罐體和土體的初始溫度20℃。隨著時間的推移，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，對不同時刻汽油、油罐和周圍土體的溫度場進行了模擬計算，結果如圖2所示，圖中單位℃。由圖2可以看出，儲油罐在注滿汽油后，1小時內溫度場分布變化很快，罐內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小時前也明顯減慢。

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

3 儲油罐溫度應力的數值模擬

由前述分析可知，在油罐注滿油后的一小段時間內，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，罐體壁產生應力，但溫度變化量不同，故同一材料熱變形量就不同。現在來分析罐體注滿油后，罐體壁各個方向所受應力隨時間變化的關系。在圖3～圖5中，橫坐標為時間，單位是s，縱坐標為應力，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，應力隨時間的變化情況，并在總體上表現為拉應力，但在注油兩小時后油罐軸向應力幾乎為0，略有受壓傾向，且應力狀態穩定。圖4所表示的是儲油罐在周向方向應力變化情況，由圖可以看出，罐壁在周向幾乎一直處于受壓的狀態，但是，壓應力隨著時間的推移逐漸減小，并且趨于穩定狀態。圖5所表示的是儲油罐在徑向受應力的情況，并表現為拉應力，隨著時間的推移，拉應力逐漸減小，大約兩小時后，拉應力幾乎為0，且保持穩定狀態。

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力隨時間的變化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，助理實驗師，碩士。主要從事石油機械類實驗教學及研究工作。