基于電阻應(yīng)變測試的大型原油儲罐彎曲應(yīng)力檢測

周笑

摘? 要：石油化工行業(yè)的迅猛發(fā)展，使得人們越來越重視能源的安全問題，在大量建造大型原油儲罐的同時，產(chǎn)生的安全隱患問題也逐漸增加。針對這一問題，提出了一種基于電阻應(yīng)變的大型原油儲罐彎曲應(yīng)力檢測方法，并對應(yīng)力計算模型以及應(yīng)變片布置進行設(shè)計。實驗對比表明，該文方法準(zhǔn)確性更高，更適應(yīng)于在石油化工行業(yè)對儲罐應(yīng)力的檢測。

關(guān)鍵詞：電阻應(yīng)變? 大型? 原油儲罐? 彎曲應(yīng)力

隨著石油化工行業(yè)的快速發(fā)展，儲油設(shè)備規(guī)模逐漸擴大，且復(fù)雜程度也逐漸增加，因此對于儲罐設(shè)備的安全問題也受到了越來越多的重視。但是，目前仍沒有一套較為完整的安全檢測方法，適用于儲罐運行過程中潛在隱患檢測[1]。在現(xiàn)有的對原油儲罐的設(shè)計規(guī)范中，并沒有一項是針對原油儲罐彎曲應(yīng)力的定義，當(dāng)原油儲罐受到外界壓力過大時，儲罐本身并不能保證受到壓力不會變形或破裂[2]。因此，對于大型原油儲罐的彎曲應(yīng)力的檢測方法具有一定的現(xiàn)實應(yīng)用價值。

1? 大型原油儲罐彎曲應(yīng)力檢測

1.1 應(yīng)力計算模型

在制定檢測方法前，首先要對儲罐的應(yīng)力計算方法進行設(shè)計，建立一個應(yīng)力計算模型。圖1為一個高度為L的原油儲罐，在儲罐頂端受到單個應(yīng)力為F的作用力的形變簡圖。

以儲罐的地部所在地面為坐標(biāo)x軸，根據(jù)材料力學(xué)等相關(guān)知識，可以得到如下曲線方程式：

公式（1）中，E為儲罐的彈性模量;I為儲罐中心軸的慣性矩;EI為儲罐的抗彎剛性;α為在合作用點距離儲罐底部的距離;x為任意一點距離儲罐底部的距離。當(dāng)施加的單個應(yīng)力F作用位置固定時，在某一個固定位置上，由該應(yīng)力作用所產(chǎn)生的撓度ω只會與應(yīng)力F的大小相關(guān)，且二者之間存在線性關(guān)系[3]，由此可以得出，當(dāng)儲罐受應(yīng)力作用時，會產(chǎn)生一個沿圓周方向較小的撓度值。

作用在儲罐表面的應(yīng)力Fn垂直于儲罐水平面，該應(yīng)力與儲罐的切面Pα'bc傾斜成一定角度，稱為法向嚙合角αn。法向上的應(yīng)力Fn可以分解為3個相互間垂直的分力，分別表示為沿儲罐豎直方向上的應(yīng)力Ft;沿儲罐徑向上的應(yīng)力Fr;沿軸向上的應(yīng)力Fα。由應(yīng)力的相關(guān)知識可以得出，導(dǎo)致原油儲罐彎曲的應(yīng)力公式為。

公式（2）中，K為應(yīng)力系數(shù);YFα為儲罐的彎曲系數(shù);YSα為應(yīng)力校正系數(shù);Yβ為彎曲角影響系數(shù);b為儲罐直徑;mn為法向模數(shù);Zα為端面的重合度數(shù)。

1.2 應(yīng)變片布置

大型原油儲罐的內(nèi)外表面積較大，為了快速準(zhǔn)確地測量出儲罐壁當(dāng)中的常規(guī)應(yīng)力值以及開孔所導(dǎo)致的應(yīng)力集中值，首先要對大型原油儲罐的應(yīng)力采用三維的有限元方法進行初步的分析與計算，找出應(yīng)力較為集中的部分或應(yīng)力分布較為明顯的區(qū)域，再進行下一步——制定應(yīng)變片布置方案。

大型原油儲罐的外壁布置的應(yīng)變片具體位置應(yīng)該設(shè)置在大角焊縫中、第一道以及第二道環(huán)焊縫中和儲罐開口周圍，并讓應(yīng)變片布置相對密集。還要選取一個具有一定間隔的兩個相互垂直的截面，在其中的一個截面的外壁和內(nèi)壁上各設(shè)置一個應(yīng)變片，高度設(shè)定為第二個環(huán)焊縫接口處，在另一個界面的外壁上設(shè)置一個應(yīng)變片，高度設(shè)定在儲罐的最高點上。布置完畢后，對每一個應(yīng)變片進行編號，將環(huán)向應(yīng)變片用奇數(shù)表示，軸向應(yīng)變片用偶數(shù)表示。為了使邊緣應(yīng)力的影響反映得更加明顯，在儲罐焊縫附近布置的應(yīng)變片應(yīng)更加密集。

2? 對比實驗

為了驗證該文提出的應(yīng)力檢測方法能夠更加有效的、準(zhǔn)確地檢測出大型原油儲罐彎曲的應(yīng)力，建立了如下對比實驗：

選取兩個規(guī)格完全相同的大型原油儲罐，利用該文檢測方法與傳統(tǒng)檢測方法分別對這兩個儲罐的彎曲應(yīng)力進行檢測，在保證除檢測方法外，其余條件均相同的情況下，將實驗結(jié)果產(chǎn)生的數(shù)據(jù)記錄在表1中，并將兩種方法檢測的結(jié)果與實際的應(yīng)力值進行比較，比較兩種方法的檢測精度。

通過表1記錄的數(shù)據(jù)計算出兩種檢測方法的檢測精度，傳統(tǒng)方法的檢測精度在80%～90%，該文方法的檢測精度在98%～99%，由此可以看出，該文檢測方法檢測到的應(yīng)力值與實際的應(yīng)力值更加接近，更具有實際的應(yīng)用價值。同時通過實驗可以證明，該文提出的檢測方法能夠有效針對正常運行的大型原油儲罐彎曲的應(yīng)力進行檢測，且具有線性度良好、靈敏度高、效果理想等優(yōu)點。該方法能夠有效克服傳統(tǒng)檢測方法的弊端，能夠?qū)嶋H情況帶入到測量當(dāng)中，保證結(jié)果的真實、可靠。

3? 結(jié)語

為解決當(dāng)前大型原油儲罐彎曲應(yīng)力檢測準(zhǔn)確率低的問題，提出基于電阻應(yīng)變測試的大型原油儲罐彎曲應(yīng)力檢測研究。根據(jù)設(shè)計的應(yīng)力計算模型及應(yīng)變片布置，完成該文研究，經(jīng)實驗驗證，該方法可以有效提高儲罐彎曲應(yīng)力檢測準(zhǔn)確率，具有實際應(yīng)用意義。

參考文獻

[1] 石磊，帥健，許葵，等.大型非錨固變壁厚外浮頂原油儲罐的應(yīng)力測試[J].油氣儲運，2017，36（10）：1128-1132.

[2] 徐中原，王維，王玉林，等.利用AE檢測技術(shù)實現(xiàn)大型原油儲罐的在線檢測[J].煉油與化工，2018，29（6）：33-35.

[3] 趙金龍，黃弘，屈克思，等.基于數(shù)值模擬的大型原油儲罐熱輻射響應(yīng)研究[J].中南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2017，48（6）：1651-1658.