原油儲罐有缺陷狀態下結構穩定性的研究

張翀宇

（臺州市特種設備監督檢驗中心，浙江臺州318000）

原油儲罐有缺陷狀態下結構穩定性的研究

張翀宇

（臺州市特種設備監督檢驗中心，浙江臺州318000）

針對不同液高原油儲罐的運行狀況進行了風致屈曲研究，分析其臨界風速狀況和屈曲模態變化，重點對存在缺陷儲罐的抗風載荷能力進行了詳細分析。

原油儲罐；風致屈曲；弧長法；幾何缺陷

隨著世界能源戰略儲備的升級，原油儲罐結構呈現大型化發展趨勢，它的安全性能變得越來越重要。油罐大型化導致油罐罐壁和罐底的應力分布情況變得非常復雜，特別是油罐罐底部區域的應力情況（油罐罐底區域包括罐底邊緣板、底圈壁板以及連接罐底邊緣板和底圈壁板的大角焊縫）。罐底區域是油罐受力最大的部位，也是最容易出現事故的部位，因此儲罐的風致屈曲行為應當引起工程設計人員的足夠的重視[1]。絕大多數情況下，油罐運行都處于滿液負荷的狀態，并且由焊縫引起的缺陷主要有以下兩點：一是焊接本身造成的幾何缺陷；二是焊接后引起的殘余應力[2，3]。這些缺陷導致油罐抗風載荷能力的下降。本文研究油液以及缺陷狀態下油罐的風致屈曲特性。

1 研究方法

本文的分析在ABAQUS軟件中進行，計算采用弧長法來分析高度非線性的屈曲失穩問題。弧長法最基本的控制方程為：

式中，△l為固定的半徑，P為外部作用力，△λ為載荷因子增量數值，ψ為載荷比例系數，△δ用于控制弧長中載荷因子增量所占的比重。

2 對不同液高儲罐風致屈曲研究

2.1 有液狀態下儲罐有限元模型的建立

本文研究有液狀態下油罐的風致屈曲響應特性。假設流體為理想流體，忽略地基沉降作用，并假設儲罐的液面在屈曲過程中不會發生高度上的變化。有限元模型基于標準10 000 m3儲罐，半徑為15.29 m，高度為12.3 m，厚度為1.2 cm.用Sa單元對模型進行分析，同時當施加邊界條件時，模型兩條直邊在R1，U1，U2方向上進行約束以保證其二分之一模型的有效性。圖1圖2所示。

圖1 10000 m3石油儲罐的有限元模型

圖2 10000 m3儲罐的臨界屈曲位移云圖

2.2 不同液高狀況下儲罐風致屈曲

為了更加真實地計算儲罐在常態下的風致屈曲特性，從5個液面高度取值以便更好的追蹤其屈曲路徑，如表1所示。通過計算機模擬進行臨界風載荷和屈曲模態，并進行結果比較。

表1 計算采用的液高與液高/罐高

（1）儲罐的屈曲路徑大不相同。1）當液高/罐高≤1/2時，臨界屈曲發生在周向展開角10℃左右的罐體頂部位置（如圖3所示，以液高/罐高=1/6時為例））；2）當液高/罐高＞1/2時（包括滿液狀態）臨界屈曲則發生在周向展開角為65℃的罐體底部位置（如圖4所示，以液高/罐高=2/3時為例）；3）當液高較低時，罐底承受的向外液壓也較小，所以造成臨界屈曲在靠近子午線位置；4）當液高比較高時，罐底承受的向外液壓變得較大，試驗表明只有靠近子午線位置所承受的風力為壓應力，而距離子午線較遠位置所承受的風力是拉應力，尤其當周向展開角為65℃時，承受拉應力是最大值，造成臨界屈曲在遠離子午線的位置。

圖3 液高/罐高=1/6時的臨界屈曲位移云圖

圖4 液高/罐高=2/3時的臨界屈曲位移云圖

（2）通過LPF曲線可以得到臨界風壓與液面高度的關系（如圖5所示）。通過比較可以得知，隨著液高逐漸增大時，臨界風壓隨著也不斷增大，但是增長的幅度則是在罐體趨于空罐或滿液時候非常大，其他時候增幅相對較小。

圖5 臨界風壓與液面高度的關系曲線

（3）通過臨界風壓計算可以得到所對應的臨界風速（如圖6所示）。通過對比得到如下結果：臨界風速和液高的逐漸增大成正比。當液高/罐高≤1/6時，其臨界風速大于61.8m/s，這種環境下所承受的外壓較低，罐子在抗風載能力范圍因此相對安全的。而當液高/罐高＞1/6時，其臨界風速小于61.8 m/s，此時所承受的外壓較相當于17級風速，必須引起足夠的重視。

圖6 臨界風速隨著液面高度的變化曲線

（4）由位移云圖可知，當液高/罐高達到一定比值時，底部壓力會很大，由于儲罐壁厚不夠造成儲罐發生底部屈曲，比較容易造成儲罐傾覆、液體滲出。現在儲罐制造工藝下，由于現在設計和制造工藝大多數儲罐采用的是變壁厚結構（即底部最厚，然后往上逐漸變薄），使得它底部能承受的壓力也更大，所以在現在情況下并不會出現在液面較高時，風載荷下底部發生臨界屈曲的情況。

3 存在缺陷時儲罐風致屈曲

缺陷值指的是設定儲罐的特征值屈曲模態中最大屈曲位移，其余部位的屈曲位移將按照屈曲模態的形狀進行等比例換算。通過模擬計算明顯地發現，當儲罐存在缺陷時，其對應的臨界風壓為1.39 kPa左右，當儲罐無缺陷時其對應臨界風壓為1.85 kPa左右（減少約20%），而此時臨界風速約為44.90 m/s（相當于10級臺風）罐子在抗風載能力范圍因此相對安全的，如圖7所示。

3.1 不同缺陷值下石油儲罐的風致屈曲特性

圖7 帶缺陷儲罐的臨界屈曲狀態位移云圖

為了弄清楚當缺陷值不同的時候臨界屈曲對風致屈曲的影響，在相同條件下，再取10個不同的缺陷值的儲罐，并用弧長法分別計算它們的風致屈曲響應，如表2所示。

表2 計算所采用不同儲罐的缺陷值大小

通過計算結果如下：

（1）對儲罐來說，由于本身的殼體結構以及風載荷的大小和方向導致臨界屈曲點以及后屈曲時位移最大點所在位置大致相同，無論臨界屈曲點還是后屈曲時位移最大點，都處在儲罐頂端周向展開角為10℃附近。

（2）通過對比不同缺陷值儲罐的LPF曲線，得到它們的臨界風壓值（如圖8所示）。

圖8 儲罐的臨界風壓隨缺陷值的變化曲線

從圖中可以看出來，隨著缺陷值增大，儲罐臨界風壓逐漸減小，減小的速度呈緩慢趨勢。當缺陷值大于5倍厚度時，臨界風壓將會下降到1 kPa以下。

（3）通過不同缺陷值儲罐的臨界風壓，算出它們的臨界風速（如圖9所示）。

圖9 儲罐的臨界風速隨缺陷值的變化曲線

當缺陷值為10倍厚度時，臨界風速則變為32 m/s（相當于十四級臺風）。在這種外力的作用下，罐子在抗風載能力超出安全系數的范圍，儲罐極容易受風力而發生傾覆的風險。對罐體在運行中可能會出現的缺陷值必須采取必要的防范措施。

4 結束語

（1）通過不同液高狀態油罐的風致屈曲研究，發現液高的增大與臨界風壓和臨界風速增大成正比，當液高與罐高之比達到一定數值時，由于壓力作用使得儲罐底部臨界屈曲發生較大的變化，可能造成儲罐的傾覆危險。

（2）通過對缺陷油罐的研究，對比了不同缺陷值情況下的風致屈曲特性，得出儲罐的抗風能力會明顯地減弱。因此應該在設計結構、制造工藝和檢驗檢測、日常維護等方面引起重視。

[1]葛頌，陳志平，沈建民，等．立式儲液罐象足屈曲的準靜態數值模擬[J].壓力容器，2006，23（1）：6-9．

[2]朱勁平．大型立式圓柱形儲罐“象足”屈曲研究[D]．杭州：浙江大學，2007．

[3]曾明．焊縫對大型油罐“象足”屈曲行為的影響[D]．杭州：浙江大學，2010.

圖6 振動盤產品圖

3 結束語

本文研究了振動盤內形大螺距錐度螺紋的加工方法，試用了3種方法。從上述3種加工方法的優缺點比較來看，明顯采用數控車床加工此振動盤最為有效的加工方法，對于尺寸較大或較小的內形振動盤都能適用，所以這種方法具有一定的應用價值，值得推廣。

參考文獻：

[1]張國軍.金屬加工與實訓—車工實訓[M].北京：高等教育出版社，2010：76-87.

[2]胡育輝.數控銑床加工中心[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，2005：14-82.

[3]黃麗芬.數控車床編程與操作[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2007：52-53.

Astract：At present almost all enterprises producing the vibration of the plate is by welding manufacturing method，not only the production efficiency is low，and the feeding accuracy is not high，the feeding process often appear leakage phenomenon.Made vibration plate welding method in order to overcome the shortcomings，from the perspective of enterprise product quality and efficiency，the new method of machining vibration plates are studied，and the process to determine the numerical control lathe machining integral vibration disc shape large taper thread pitch is one of the most effective processing method.

Key words：vibrating plate；numerical control lathe；machining method

Study on the Structural Stability of Crude Oil Tank With Defective Condition

ZHANG Zhong-yu
（Taizhou Special Equipment Supervision and Inspection Center，Taizhou Zhejiang 318000，China）

This paper studies wind-induced buckling according to running status of different liquid storage tank of the plateau，the critical wind speed conditions and buckling mode changes，focus on a detailed analysis of the wind load capacity of defective tank.

crude oil tank；wind-induced buckling；arc length method；geometric imperfections

Vibration Disc Shaped Big Pitch Taper Thread Machining Method

LAN Xian
（Guangdong Vocational College of Industry and Commerce，Zhaoqing Guangdong 526020，China）

TE972

A

1672-545X（2016）11-0161-04

2016-08-16

張翀宇（1974-），男，臺州人，本科，高級工程師，主要從事特種設備安全方面的檢測和研究。