立式儲罐結構超壓失效分析

蔡偉勇　凌張偉　王　敏

（浙江省特種設備檢驗研究院）

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立式儲罐結構超壓失效分析

蔡偉勇*凌張偉王敏

（浙江省特種設備檢驗研究院）

摘要建立了儲罐有限元分析模型，研究了儲罐內部超壓對罐底板變形的影響，同時分析了儲罐超壓對含缺陷角焊縫的裂紋尖端應力強度因子的影響。結果表明，儲罐超壓會導致罐底板發生提離變形，并且會導致含缺陷角焊縫的裂紋尖端應力強度因子增大，增加角焊縫結構失效的可能性。

關鍵詞儲罐超壓角焊縫應力強度因子罐底板

*蔡偉勇，男，1973年生，工程師。杭州市，310020。

0　引言

石油和石化生產企業廣泛采用固定頂常壓立式儲罐作為盛儲載體，多儲存具有易揮發、易燃、易爆、有毒、有害性質的介質。由于自然環境的侵蝕和工況條件的變化，儲罐常會發生變形、腐蝕、角焊縫撕裂等結構失效，降低了結構的安全可靠性，更甚者會引發介質的泄漏、火災、爆炸等事故。儲罐超壓是造成儲罐結構破壞最常見的原因之一。2006年7月16日，某單位就發生一起儲罐（介質為精已二胺）超壓事故[1]，導致罐底邊緣板翹起事故。2014年8月，某煉化公司一非錨固立式儲罐因超壓而導致罐底發生嚴重變形，同時罐底角焊縫發生撕裂。

文獻[2]關于儲罐超壓破壞采用瞬態壓力波傳遞計算法定量描述了壁面作用壓力波，分析了罐頂局部屈服失穩和強度破壞形式等；文獻[3]建立了儲罐內沖擊波超壓的計算方法，對不同容積的儲罐在爆炸載荷作用下進行了非線性有限元分析；文獻[4]分析了儲罐焊趾位置的表面半橢圓裂紋，并計算了不同參數下的應力強度因子。文獻[5]采用有限元軟件對球罐設計進行了建模分析；文獻[6]采用ANSYS有限元軟件對儲罐進行了非線性屈曲分析和抗風設計；文獻[7]對油罐大角焊縫處的應力進行了數值分析，分析了邊緣板厚度、內側焊縫長度等對大角焊縫處最大峰值應力的影響規律。

本文通過建立儲罐有限元模型，分析了罐內超壓對罐底板變形的影響；同時建立了含缺陷角焊縫模型，分析了超壓作用下結構應力集中對角焊縫裂紋尖端應力強度因子的影響。

1建立儲罐有限元分析模型

某事故儲罐的容積為235 m3，其結構特征為立式拱頂，尺寸為?6000×8656×6（單位為mm×mm× mm），材料為Q235，焊縫系數為0.9；儲罐的存儲介質為甲基二乙醇胺，其密度為1.04 g/cm3，操作壓力為-0.49～1.96 kPa。2014年8月，該儲罐因呼吸閥未能正常工作致使罐內氣相嚴重超壓，導致了儲罐罐底板發生提離變形，同時罐底角焊縫也發生了撕裂，如圖1所示。

圖1　事故儲罐

建立的有限元分析模型如圖2所示。儲罐材料彈性模量為210 GPa，屈服強度為235 MPa，泊松比為0.3，抗拉強度為375 MPa。儲罐結構受力主要有罐內氣相壓力p，承裝介質靜壓力（假設介質高度為5.5 m），以及儲罐本身重力。計算中將儲罐基礎簡化為剛性平板，與儲罐罐底之間定義接觸屬性。儲罐的邊界條件設置考慮實際物料進、出管和其他附件的約束作用在罐底局部設置邊界約束。

圖2　儲罐結構模型

2儲罐罐底板超壓變形

根據建立的儲罐結構分析模型，在儲罐氣相空間分別施加內壓為p=0.035 MPa、0.04 MPa、0.042 MPa、0.046 MPa。計算結果的局部放大圖如圖3所示，儲罐罐底板發生了提離變形，在壓力為0.042 MPa時其提離高度與實際事故提離高度相近；提離變形后罐底呈碗狀形態，并且在結構不連續的角焊縫位置處存在較大的應力集中。由圖4可見，隨著內壓的增加，罐底板提離的高度也隨之增加。根據理論力學知識，儲罐罐底板發生提離的主要原因是非錨固儲罐結構承受的上舉力高于儲罐的重力與罐內介質靜壓力之和，從而使得儲罐整體結構以約束部位為中心產生提離，致使罐底偏離于儲罐基礎。

圖3　儲罐結構整體變形

圖4　罐內壓與罐底板提離高度關系

3角焊縫表面裂紋分析

儲罐發生提離變形時角焊縫位置處存在較大的應力集中，容易導致該位置處發生斷裂。應力強度因子作為表征外力作用下彈性體裂紋尖端附近應力場強度的一個重要參量，是評價斷裂破壞和裂紋擴展規律的重要指標。為分析提離變形對含缺陷角焊縫位置結構強度的影響，研究超壓應力狀態下角焊縫裂紋尖端的應力強度因子情況。建立含缺陷角焊縫分析單元模型，如圖5所示。缺陷的尺寸根據GB/T 19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》設置規則，對于表面橢圓裂紋，要求裂紋深度a≤0.7t，t為板厚度。計算中設置裂紋深度a分別為5 mm、4 mm、3 mm、2.5 mm，裂紋寬度2c為16 mm。裂紋寬度方向平行于焊縫長度方向，裂紋面與焊縫水平面的夾角為45°。單元受力狀態根據超壓變形后的應力狀態設定。

圖5　含缺陷角焊縫有限元模型

圖6所示為裂紋尖端應力強度因子隨前緣節點（裂紋角）的變化情況。可以看出應力強度因子隨著裂紋角的增加而增大，最大值位于裂紋最深處。這說明在表面裂紋的中心處裂紋奇異應力場最強。根據斷裂力學理論，表面裂紋的中心處會最早達到材料的斷裂韌性并于此處起裂，因此裂紋中心處是最危險的部位。圖7所示為采用擴展有限元方法對含缺陷角焊縫單元進行的擴展分析。由圖7也可以看出，橢圓形表面裂紋從裂紋中心處起裂并往焊縫內部擴展。同時從圖6可以看出，對于同一裂紋角度，應力強度因子隨著裂紋深度a的增加而增加，即半橢圓裂紋的短半軸在焊縫方向越深，KⅠ值越大，越容易在應力集中下發生擴展，導致該部位強度下降，即角焊縫越不安全。

圖6　裂紋前緣節點處應力強度因子

4結論

本文以儲罐為研究對象，建立儲罐超壓變形和含缺陷角焊縫表面裂紋的分析模型，研究了超壓工況下儲罐罐底的提離變形和罐內超壓對含缺陷角焊縫的影響。研究結果表明，非錨固儲罐氣相空間的內壓超壓會導致儲罐罐底板產生提離變形，并且提離高度與內壓大小成正比；同時，在超壓變形導致的應力集中作用下，含缺陷的角焊縫裂紋尖端應力強度因子較大，在裂紋中心尖端具有最大值，并且隨著裂紋深度的增加，裂紋尖端應力強度因子也增大，因此超壓作用下該位置處為結構強度的危險點。工程實踐中要定期對罐底角焊縫進行檢測，防止儲罐超壓以及角焊縫裂紋的衍生，以保障儲罐結構安全。

圖7　表面裂紋擴展過程（擴展時間單位：s）

參考文獻

[1]楊鄭軍，馬銅鋼.一起儲罐超壓事故分析[J].維護與修理，2007（12）：43-44.

[2]丁宇奇.立式拱頂儲罐超壓破壞機理與弱頂結構研究[D].大慶：東北石油大學，2014.

[3]沙金成.立式固定拱頂儲罐爆炸壓力下的結構應力分析[D].大慶：東北石油大學，2014.

[4]張占武.大型儲罐角焊縫焊趾表面裂紋應力強度因子計算及安全評價[D].武漢：武漢工程大學，2013.

[5]萬興，張群，向玲.以Workbench進行球罐設計的建模分析方案[J].化工裝備技術，2015,36（2）:35-40.

[6]魏化中，張占武，丁克勤，等.大型立式儲罐風致靜力屈曲分析[J].化工裝備技術，2014,35（6）：8-12.

[7]陳志平，蔣偉華，沈建民，等.大型油罐大角焊縫處峰值應力分析[J].壓力容器，2005，22（5）：12-15.

Failure Analysis of Vertical Storage Tank under Overpressure

Cai Weiyong Ling Zhangwei Wang Min

Abstract：The finite element analysis model of the storage tank is established so that the influence of the internal overpressure on the deformation of the tank bottom as well as the influence of the overpressure on the stress intensity factor of the crack tip in the fillet weld with defects is analyzed.The results show that the overpressure of the tank may lead to the lifting deformation of the tank bottom and increase the stress intensity factor of the crack tip in the fillet weld with defects which increase the possibility of the structure failure of the fillet weld.

Key words:Storage tank; Overpressure; Fillet weld; Stress intensity factor; Tank bottom

收稿日期：（2015-07-30）

中圖分類號TQ 050.2

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.04.009