某原油儲罐應力及風險評價分析

王麗紅

摘要： 針對某油庫 6#儲罐，采用 ANSYS 建立有限元模型，對其罐壁板單元進行網格劃分，對比分析了滿載時罐體未變形及變形兩種情況的應力分布，通過變形罐體的應力云圖可以看出該儲罐罐體已經產生變形，且局部變形比較嚴重。變形前后應力數據顯示罐體多處已經處在材料屈服極限范圍內，甚至接近于屈服極限上限 290Mpa，具有一定危險。因此應及時檢測其它儲罐并采取相應措施防止罐體出現較大變形，以免影響油罐安全運行。

關鍵詞：油罐；有限元分析；應力分布；屈服極限；安全

前言

原油儲罐一般用來儲存油品烴類等易燃易爆的液態介質，且儲罐事故極易引起爆炸火災等災害，一旦發生事故，將會造成環境污染及重大的經濟損失，甚至威脅到人民的生命。特別是現今大型超大型儲罐的日益增多，災害事故更不堪設想。同時，隨著油庫中原油和成品油儲罐長時間運行，會伴隨出現罐壁變形、罐底壁板腐蝕等問題，嚴重影響油庫的安全運行，因此，對原油儲罐應力及風險進行評價分析， 對油庫的安全運行有著重要意義[1]。

根據儲罐破壞因素一般對儲罐展開兩個方面的研究，分別是靜力、動力特性研究。靜力特性理論研究上，對儲罐底板應力的計算主要有 3 種方法，分別為 1968 年 DENHAM 等提出的剛性地基梁法[2]，1978 年中科院力學所的李國深法[3]，及 1996 年吳天云等提出的剛性一彈性地基梁藕合法[4-5] 。隨著有限元理論的日益完善， ANSYS、ABAQUS 和 ADINA 等大量有限元數值模擬軟件日趨成熟， 相比理論方法，有限元法更能靈活地展現結構的整體變形狀態及結構的應力分布情況。

1 6#油罐檢測情況

通過監測數據及聲波檢測發現罐壁板有較大變形，罐底板有輕微腐蝕，但沒有關于油罐裂紋的檢測結果；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。

1.1 儲罐模型基本假設

結合工程實際情況，相應地作出如下簡化和假設[6]：

（1）罐體為線彈性材料；（2）地基土體為非線性的、均質彈塑性模型的介質；（3）采用一次性充滿水施加水壓荷載；（4）計算不計地基土固結。

1.2 模型荷載

有限元模型的荷載包括邊界條件和作用力的函數[7]。這里研究的靜載下儲罐模型僅涉及到表面荷載和 DOF 約束：

（1） 表面荷載

（2） DOF 約束

儲罐模型采用的 DOF 約束條件：地基模型上邊界除與儲罐接觸的部分為地表，定義為自由邊界，不予約束；儲罐模型的左邊界定義為對稱約束邊界；地基模型的右邊界定義為單約束邊界；地基模型的下邊界認為是支撐在基巖或硬土上，限制豎向位移，但對側向無約束。

2 建立有限元模型

采用有限元軟件ANSYS 建立油罐的有限元模型。

（1） 載荷條件

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 20400mm，原油的密度為 0.8510-5N/mm3，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 0.1734MPa。

（2） 網格處理

對于罐壁板，采用殼體單元，進行網格劃分。分別計算儲罐滿載時罐體未變形與罐體變形兩種情況的應力分布，并進行對比。

3 6#罐體應力分布

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 260MPa。

參照同類油罐的設計資料，罐壁材料的許用應力取 260～290Mpa，則最大應力小于罐壁材料的許用應力。通過變形罐體的應力云圖可以看成出，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，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 1185 處，具體位置為正西方，距地面高為7.2m，其Mises等效應力值為293MPa，和罐體材料的屈服極限的上限持平，而該處在未變形前的等效應力值為210Mpa，增大了 39.5%，該處的應力分布云圖見圖 4。

4 結論與建議

針對某油庫 6#儲罐，采用 ANSYS 建立有限元模型，對比分析了滿載時罐體未變形及變形兩種情況的應力分布，通過變形罐體的應力云圖可以看出該儲罐罐體已經產生變形，且局部變形比較嚴重。變形前后應力數據顯示罐體多出已經超過 260MPa，處在材料屈服極限范圍內，甚至接近于屈服極限上限 290Mpa，具有一定危險。因此應及時檢測其它儲罐并采取相應措施防止罐體出現較大變形，影響油罐的安全運行。

參考文獻：

[1] 孫新宇，李曉明，彭仁海等.油罐安全運行與管理[M].北京：中國石化出版社，2005.

[2] 武銅柱.大型立式油罐發展綜述[J].石油化工設備技術，2004，25（3）：56-59.

[3] 潘家華，國光臣，高錫祺.油管及管道強度設計[M].北京：中國石化出版社，2005.

[4] J.B.Denham，J Russell，C M R Wills. How to Design a 600， 000-Bbl.Tank.HydrocarbonProcessing，1968，47（5）：137-142.

[5] 李國深.大型變截面圓柱罐壁和罐底的應力分析[J].力學與實踐，1979，1（4）：38-41.

[6] 吳天云.油罐應力分析的新方法及其計算驗證[J].石油化上設備，1997，26（5）：15-19.

[7]傅強，陳志平，鄭津洋.彈性基礎上大型石油儲罐的應力分析[J].化工機械，2002，29（4）：210-213.