航煤用單面傾斜底立式儲(chǔ)罐罐底局部結(jié)構(gòu)特性研究

王成杰 劉 碩 張 健

（1.中國(guó)航空油料有限責(zé)任公司；2.中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所）

自20 世紀(jì)末， 民航燃料收發(fā)系統(tǒng)中已逐漸采用倒錐底立式儲(chǔ)罐（以下簡(jiǎn)稱錐底罐），該罐罐底呈倒錐形（坡度大于0.040），錐底中心設(shè)置集油槽。 相對(duì)于平底罐，錐底罐可消除微生物滋生環(huán)境、 便于清洗作業(yè)且能削弱電化腐蝕條件［1,2］。然而，在近年來的應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)錐底罐存在3 個(gè)弊端：集油槽位于罐底正中，需定期人工作業(yè)輔助排污；需較高的環(huán)墻容納集油槽和下部排污結(jié)構(gòu)，不利于儲(chǔ)罐穩(wěn)定性；罐底與罐壁連接的角焊縫為鈍角，反復(fù)收發(fā)航煤的作業(yè)可能造成疲勞破壞。 在新的航煤儲(chǔ)罐建設(shè)中，需考慮以上問題，調(diào)整罐底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善儲(chǔ)罐的排污特性。

單面傾斜底立式儲(chǔ)罐 （以下簡(jiǎn)稱傾斜底罐）不失為一種理想選擇， 該儲(chǔ)罐是一種平底罐，底板單向傾斜［2］，相對(duì)于錐底罐具有2 個(gè)優(yōu)勢(shì)：集油槽在低點(diǎn)側(cè)布置，可有效降低環(huán)墻高度；罐內(nèi)清洗作業(yè)便利，不需設(shè)置清掃孔。 然而，罐底特殊的結(jié)構(gòu)形式會(huì)導(dǎo)致罐壁建造稍顯復(fù)雜［3］，而相關(guān)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)建造的規(guī)定較為模糊［4～7］。為此， 需探究該儲(chǔ)罐罐底及其周圍區(qū)域的力學(xué)特性，以指導(dǎo)傾斜底罐的設(shè)計(jì)和建造。

儲(chǔ)罐屬大型結(jié)構(gòu)，一般通過在位測(cè)試或模型測(cè)試評(píng)估其力學(xué)性能。 例如，Gusev G N 和Shardakov I N 采用應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)極端環(huán)境下儲(chǔ)罐的應(yīng)力應(yīng)變狀況［8］；徐景鋒采用模型試驗(yàn)的方式， 通過振動(dòng)臺(tái)對(duì)儲(chǔ)罐子結(jié)構(gòu)輸入地震波，研究?jī)?chǔ)罐抗震性能［9］。隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，更多學(xué)者通過數(shù)值模擬評(píng)估儲(chǔ)罐的力學(xué)性能。 例如，周忠賀等構(gòu)建了500 m3容積儲(chǔ)罐的三維網(wǎng)格模型，通過有限元法分析平底立式儲(chǔ)罐在不同工況下的應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)應(yīng)對(duì)人孔附近的底板進(jìn)行修復(fù)或補(bǔ)強(qiáng)［10］，牛錚等通過有限元法對(duì)三通道儲(chǔ)罐內(nèi)部T 型鋼加強(qiáng)筋的布置方案進(jìn)行了優(yōu)化篩選［11］；張 雪 銘 通 過 有 限 元 軟 件ANSYS 分 析 儲(chǔ) 罐的焊腳形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)大角焊縫處應(yīng)力強(qiáng)度峰值的影響， 提出相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇原則［12］。據(jù)此，筆者將通過數(shù)值模擬方法構(gòu)建傾斜底罐的三維模型， 同時(shí)開展原尺度子模型的測(cè)試驗(yàn)證，研究罐底局部力學(xué)特性，為該種儲(chǔ)罐應(yīng)用于航煤儲(chǔ)運(yùn)提供理論參考。

1 角焊縫局部強(qiáng)度測(cè)試

1.1 試件與測(cè)試

選取傾斜底罐高點(diǎn)的大角焊縫和周圍罐壁-罐底結(jié)構(gòu)， 按照10 000 m3的儲(chǔ)罐， 加工測(cè)試試件，其長(zhǎng)寬均為1.0 m、高0.8 m，焊縫等的尺寸按照SH 3046—1992 《石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范》選取，罐底坡度取0.020。

如圖1a 所示， 依靠螺栓連接將罐底邊緣板固定于測(cè)試平臺(tái)上，通過強(qiáng)力彈簧連接測(cè)試平臺(tái)與罐壁來模擬上部罐壁對(duì)壁板的作用； 如圖1b所示，在試件的內(nèi)/外壁板和罐底邊緣版的不同位置布置應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)。 通過千斤頂推動(dòng)罐壁加載（罐壁變形范圍為0～23 mm），并由測(cè)力計(jì)（與千斤頂相連）測(cè)試其值。 測(cè)試時(shí)，采用應(yīng)變監(jiān)測(cè)傳感器測(cè)試監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化，激光對(duì)準(zhǔn)儀和刻度尺測(cè)量罐壁的水平變形。

圖1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

1.2 數(shù)值模擬

在ANSYS 軟件平臺(tái)中建立與試驗(yàn)加載試件一致的數(shù)值分析模型。 如圖2 所示，三維模型模擬儲(chǔ)罐壁板和罐底邊緣板的局部區(qū)域，其中角焊縫部分與試件一致，并用平面單元模擬支撐試件的框架。 邊界條件為模型與約束平面做接觸處理。 同時(shí)，三維模型上對(duì)應(yīng)的螺栓固定點(diǎn)被約束所有自由度，且完全相同于試件在框架上的固定方式。 有限元模型加載方式為在壁板施加指向儲(chǔ)罐外側(cè)的位移， 與試驗(yàn)中試件的加載方式一致（根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 施加22 mm 水平位移的加載量）。

圖2 測(cè)試試件的有限元模型

1.3 測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

罐壁內(nèi)部施加22 mm 水平位移的加載量后,重點(diǎn)關(guān)注試件中心附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力和應(yīng)變分布狀況。 圖3a 為試件應(yīng)力分布云圖，高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)于大角焊縫焊趾處， 高應(yīng)力由螺栓約束所致。圖3b 為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試應(yīng)變和模擬應(yīng)變的結(jié)果對(duì)比，兩者在幅值和變化趨勢(shì)上較為相符（盡管存在誤差，但對(duì)整體趨勢(shì)的影響可以忽略不計(jì)），其中最大應(yīng)變不超過1200×10-6，說明試件中重點(diǎn)研究部分處于線彈性區(qū)間。 同時(shí)證明，基于有限元法的數(shù)值模擬可以用于研究?jī)A斜底罐局部力學(xué)特性。

圖3 測(cè)試與模擬結(jié)果對(duì)比

2 兩儲(chǔ)罐大角焊縫力學(xué)特性分析

2.1 模型建立

傾斜底罐與錐底罐的不同點(diǎn)在于罐底-罐壁連接處的大角焊縫張角并非固定不變。 在傾斜底罐高點(diǎn)時(shí)，大角焊縫張角為鈍角；在傾斜底罐低點(diǎn)時(shí)，大角焊縫張角為銳角。 角度不同可能會(huì)引發(fā)角焊縫附近應(yīng)力分布不同。 為此，在有限元模擬可靠性的基礎(chǔ)上，采用有限元法對(duì)比分析錐底罐和傾斜底罐大角焊縫的力學(xué)特性。

以10 000 m3儲(chǔ)罐為例， 依據(jù)API 650 附錄A2 中推薦的儲(chǔ)罐規(guī)格確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)為：

直徑 42.0 m

高度 7.2 m

筒節(jié)數(shù) 4

罐壁厚度 11.5 mm

罐底邊緣板厚度 6 mm

角焊縫尺寸 6 mm

罐底坡度 0.350

建立錐底罐和傾斜底罐有限元模型 （圖4）。模型中包含儲(chǔ)罐罐體、混凝土環(huán)墻和環(huán)墻內(nèi)部回填材料，這三者的實(shí)體采用Solid45 單元，罐底-基礎(chǔ)、 環(huán)墻-回填材料間的接觸采用Targe170-Conta174 接觸對(duì)。傾斜底罐模型共包含147 562 個(gè)節(jié)點(diǎn)、123 680 個(gè)單元，錐底罐模型共包含152 814個(gè)節(jié)點(diǎn)、121 800 個(gè)單元。 儲(chǔ)罐罐體的鋼材（Q235-B 型） 采用雙線性本構(gòu)關(guān)系模擬， 其屈服強(qiáng)度為235 MPa， 彈性模量為206 GPa； 回填材料通過Drucker-Prager 本構(gòu)關(guān)系模擬。

圖4 兩儲(chǔ)罐罐體有限元模型

模型約束方面，基礎(chǔ)和回填材料底面約束所有自由度， 環(huán)墻側(cè)面約束水平方向的平動(dòng)自由度。 基礎(chǔ)、回填材料與儲(chǔ)罐底板間的相對(duì)滑動(dòng)摩擦因子為0.7。 模型加載方面，兩個(gè)模型均受豎直向下的重力作用。 同時(shí)，針對(duì)滿罐和罐內(nèi)液位高度為7.2 m 兩種情況， 對(duì)罐壁和罐底產(chǎn)生靜水壓力，對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)壁產(chǎn)生指向罐外的面載荷，載荷大小與距離自由液面的距離成正比；對(duì)儲(chǔ)罐罐底產(chǎn)生向下的面載荷， 大小同樣與液位深度成正比。據(jù)此，對(duì)模型開展靜力分析，求解角焊縫局部受力狀況。

2.2 大角焊縫力學(xué)特性對(duì)比

錐底罐和傾斜底罐大角焊縫應(yīng)力分布如圖5所示。 由圖5 可見，在滿罐條件下兩儲(chǔ)罐局部應(yīng)力峰值（前者明顯高于后者）均出現(xiàn)在罐壁-罐底大角焊縫附近， 且在罐底板一側(cè)的角焊縫焊趾上。 原因?yàn)椋汗薇诤凸揄數(shù)闹亓客ㄟ^角焊縫傳遞到底板，罐壁承受靜水壓力形成的力矩，底板承受向下的載荷，三者共同作用造成角焊縫附近出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中； 罐底邊緣板的厚度小于罐壁，會(huì)產(chǎn)生較大協(xié)調(diào)變形，造成底板一側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力峰值。

圖5 兩儲(chǔ)罐的大角焊縫應(yīng)力分布

相同的規(guī)格和工況下，兩儲(chǔ)罐大角焊縫圓周方向的應(yīng)力峰值如圖6 所示。 由圖6 可見，錐底罐的應(yīng)力峰值維持在230 MPa 左右，而傾斜底罐的介于180～200 MPa 間，明顯小于錐底罐，這是由于高程差與罐底-罐壁夾角共同作用所致的結(jié)果。 在傾斜底罐的高點(diǎn)，液位深度小于錐底罐，儲(chǔ)罐內(nèi)液產(chǎn)生的壓力小于錐底罐， 雖然內(nèi)側(cè)的壁板-罐底邊緣板夾角為鈍角， 但是較低的壓力水平使得該點(diǎn)的應(yīng)力峰值小于錐底罐；在傾斜底罐的低點(diǎn)，液位深度與錐底罐相差不大，罐內(nèi)測(cè)壁板-罐底邊緣板夾角為銳角， 受力狀況優(yōu)于錐底罐的鈍角大角焊縫，使得傾斜底罐低點(diǎn)處的應(yīng)力峰值仍小于錐底罐；其他位置的受力狀況則介于高點(diǎn)和低點(diǎn)之間。 因此，從以上分析中可以得出傾斜底罐的大角焊縫受力特性優(yōu)于錐底罐。

圖6 兩儲(chǔ)罐大角焊縫圓周方向的應(yīng)力峰值對(duì)比

3 傾斜底罐罐底局部力學(xué)特性分析

3.1 模型建立

為探究?jī)A斜底罐罐底及其周邊局部力學(xué)特性，以航煤用20 000 m3儲(chǔ)罐為例，建立三維實(shí)體有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬。 為結(jié)合國(guó)內(nèi)生產(chǎn)實(shí)際，儲(chǔ)罐規(guī)格依據(jù)SH 3046—1992《石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范》選取，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為：

直徑 42.0 m

高度 17.0 m

筒節(jié)數(shù) 4

罐壁厚度 23、21、19、17、14、11、9、9、9 mm

罐底邊緣板厚度 9 mm

罐底中幅板厚度 7 mm

角焊縫尺寸 12（罐外）、16（罐內(nèi)） mm

罐底坡度 0.020

根據(jù)上述參數(shù)構(gòu)建儲(chǔ)罐有限元模型 （圖7）。模型中包含罐體、 混凝土環(huán)墻和基礎(chǔ)回填材料。本研究主要涉及罐底及其周邊結(jié)構(gòu)，需要適當(dāng)簡(jiǎn)化罐壁上部、罐頂及其附屬結(jié)構(gòu)。 采用Solid45 單元構(gòu)建三維實(shí)體，通過Targe170-Conta174 單元接觸對(duì)模擬罐底、基礎(chǔ)和環(huán)墻間的相互作用。 儲(chǔ)罐模型共包含178 240 個(gè)單元。 罐體的鋼材（16MnR）采用雙線性本構(gòu)關(guān)系模擬，其屈服強(qiáng)度為345 MPa，彈性模量為206 GPa；回填材料通過Drucker-Prager 本構(gòu)關(guān)系模擬。

圖7 儲(chǔ)罐三維實(shí)體有限元模型

邊界條件設(shè)置：約束環(huán)墻和回填材料底面全部自由度，約束環(huán)墻側(cè)面的水平自由度。 加載工況設(shè)置空罐和滿罐兩個(gè)工況：空罐為整個(gè)模型在自重作用下的受力分析；滿罐為儲(chǔ)罐內(nèi)部航煤達(dá)到設(shè)計(jì)液位時(shí)的儲(chǔ)罐受力分析。 通過面載荷模擬航煤液位對(duì)罐壁的壓力。 據(jù)此進(jìn)行靜力分析，求解儲(chǔ)罐受力分布狀況。

3.2 罐壁應(yīng)力分布規(guī)律

圖8 所示傾斜底罐低點(diǎn)和高點(diǎn)的罐壁應(yīng)力沿高程變化曲線，其中并未包含底部大角焊縫局部的應(yīng)力峰值。 由圖8 可見，空罐時(shí)的罐壁應(yīng)力水平遠(yuǎn)小于滿罐；滿罐時(shí)的罐壁應(yīng)力水平隨著離近罐底逐漸增加，在距離罐底1 m 左右的位置出現(xiàn)峰值后急劇下降。 這是由于滿罐工況下，靠近罐底板的液體壓力較大。 但在罐壁-罐底大角焊縫處，由于底板和角焊縫的加強(qiáng)作用，局部剛度較大，難以產(chǎn)生較大變形。 而在靠近底板的罐壁處，液壓載荷較大，同時(shí)罐壁的剛度遠(yuǎn)小于大角焊縫附近區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生較大變形，形成應(yīng)力峰值。進(jìn)一步對(duì)比還可發(fā)現(xiàn)，低點(diǎn)一側(cè)的罐壁應(yīng)力峰值略大于高點(diǎn)一側(cè)，這是由液位差導(dǎo)致。 同時(shí)，低點(diǎn)一側(cè)底板和高點(diǎn)一側(cè)應(yīng)力峰值的高程差約為1.9 m，為保證儲(chǔ)罐強(qiáng)度，第1 筒節(jié)與第2 筒節(jié)間的焊縫不宜在這一區(qū)間內(nèi)。 為此，應(yīng)適當(dāng)增加筒節(jié)高度以補(bǔ)強(qiáng)儲(chǔ)罐強(qiáng)度。

圖8 儲(chǔ)罐罐壁應(yīng)力沿高程變化曲線

3.3 大角焊縫局部力學(xué)特性

不同工況下，儲(chǔ)罐低點(diǎn)和高點(diǎn)的大角焊縫應(yīng)力分布如圖9 所示。

由圖9 可見，大角焊縫附近應(yīng)力較高的區(qū)域?yàn)楣薇趦?nèi)罐底一側(cè)的角焊縫焊趾。 這是由于第1筒節(jié)罐壁厚度大于罐底邊緣板厚度，且大角焊縫又位于罐壁一側(cè)，因此高應(yīng)力出現(xiàn)于內(nèi)部罐底邊緣板區(qū)域。 另外，空罐工況下，大角焊縫應(yīng)力峰值水平很低，不超過40 MPa；滿罐工況下，大角焊縫應(yīng)力峰值雖有所增高，但總體未超過157 MPa，遠(yuǎn)小于16MnR 鋼材的許用應(yīng)力345 MPa。

圖9 不同工況儲(chǔ)罐低點(diǎn)和高點(diǎn)的大角焊縫應(yīng)力分布

以圓周角為x 軸，以兩工況時(shí)的大角焊縫應(yīng)力峰值為y 軸，形成圖10。 由圖10 可見，空罐時(shí)整個(gè)圓周上大角焊縫的應(yīng)力峰值不超過50 MPa，且圓周位置變化不大；滿罐時(shí)圓周上大角焊縫的應(yīng)力峰值不超過160 MPa。 應(yīng)力峰值最大的點(diǎn)在周向110～120°區(qū)間內(nèi)，這與儲(chǔ)罐整體幾何特征和罐底-回填材料相互作用有關(guān)。 另外，儲(chǔ)罐大角焊縫的應(yīng)力峰值遠(yuǎn)小于鋼材本身的屈服強(qiáng)度345 MPa。

圖10 不同工況下大角焊縫應(yīng)力峰值沿儲(chǔ)罐周向變化曲線

4 結(jié)論

4.1 通過原尺度儲(chǔ)罐局部模型的測(cè)試，驗(yàn)證了有限元法對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行受力分析是準(zhǔn)確可靠的。

4.2 同規(guī)格的錐底罐和傾斜底罐，后者的大角焊縫應(yīng)力水平更低，結(jié)構(gòu)特性優(yōu)于前者。 這與坡度引發(fā)的液位變化、罐壁-罐底夾角有關(guān)。

4.3 傾斜底罐的罐壁應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距離罐底1 m 附近的位置， 第1 筒節(jié)的排板布置應(yīng)綜合考慮高程差和應(yīng)力峰值區(qū)域，并避免該區(qū)域出現(xiàn)焊縫。

4.4 由于第1 筒節(jié)壁板厚度大于罐底邊緣板，儲(chǔ)罐大角焊縫應(yīng)力峰值出現(xiàn)于罐底一側(cè)的焊趾附近；合理設(shè)計(jì)的罐壁-罐底結(jié)構(gòu)形式，使大角焊縫應(yīng)力峰值遠(yuǎn)小于鋼材屈服強(qiáng)度。