原油儲(chǔ)罐有缺陷狀態(tài)下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究

張翀宇

（臺(tái)州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，浙江臺(tái)州318000）

原油儲(chǔ)罐有缺陷狀態(tài)下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究

張翀宇

（臺(tái)州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，浙江臺(tái)州318000）

針對不同液高原油儲(chǔ)罐的運(yùn)行狀況進(jìn)行了風(fēng)致屈曲研究，分析其臨界風(fēng)速狀況和屈曲模態(tài)變化，重點(diǎn)對存在缺陷儲(chǔ)罐的抗風(fēng)載荷能力進(jìn)行了詳細(xì)分析。

原油儲(chǔ)罐；風(fēng)致屈曲；弧長法；幾何缺陷

隨著世界能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備的升級(jí)，原油儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)大型化發(fā)展趨勢，它的安全性能變得越來越重要。油罐大型化導(dǎo)致油罐罐壁和罐底的應(yīng)力分布情況變得非常復(fù)雜，特別是油罐罐底部區(qū)域的應(yīng)力情況（油罐罐底區(qū)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(qū)域是油罐受力最大的部位，也是最容易出現(xiàn)事故的部位，因此儲(chǔ)罐的風(fēng)致屈曲行為應(yīng)當(dāng)引起工程設(shè)計(jì)人員的足夠的重視[1]。絕大多數(shù)情況下，油罐運(yùn)行都處于滿液負(fù)荷的狀態(tài)，并且由焊縫引起的缺陷主要有以下兩點(diǎn)：一是焊接本身造成的幾何缺陷；二是焊接后引起的殘余應(yīng)力[2，3]。這些缺陷導(dǎo)致油罐抗風(fēng)載荷能力的下降。本文研究油液以及缺陷狀態(tài)下油罐的風(fēng)致屈曲特性。

1 研究方法

本文的分析在ABAQUS軟件中進(jìn)行，計(jì)算采用弧長法來分析高度非線性的屈曲失穩(wěn)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(shù)值，ψ為載荷比例系數(shù)，△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(chǔ)罐風(fēng)致屈曲研究

2.1 有液狀態(tài)下儲(chǔ)罐有限元模型的建立

本文研究有液狀態(tài)下油罐的風(fēng)致屈曲響應(yīng)特性。假設(shè)流體為理想流體，忽略地基沉降作用，并假設(shè)儲(chǔ)罐的液面在屈曲過程中不會(huì)發(fā)生高度上的變化。有限元模型基于標(biāo)準(zhǔn)10 000 m3儲(chǔ)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(jìn)行分析，同時(shí)當(dāng)施加邊界條件時(shí)，模型兩條直邊在R1，U1，U2方向上進(jìn)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(chǔ)罐的有限元模型

圖2 10000 m3儲(chǔ)罐的臨界屈曲位移云圖

2.2 不同液高狀況下儲(chǔ)罐風(fēng)致屈曲

為了更加真實(shí)地計(jì)算儲(chǔ)罐在常態(tài)下的風(fēng)致屈曲特性，從5個(gè)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(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行臨界風(fēng)載荷和屈曲模態(tài)，并進(jìn)行結(jié)果比較。

表1 計(jì)算采用的液高與液高/罐高

（1）儲(chǔ)罐的屈曲路徑大不相同。1）當(dāng)液高/罐高≤1/2時(shí)，臨界屈曲發(fā)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(shí)為例））；2）當(dāng)液高/罐高＞1/2時(shí)（包括滿液狀態(tài)）臨界屈曲則發(fā)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(shí)為例）；3）當(dāng)液高較低時(shí)，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(dāng)液高比較高時(shí)，罐底承受的向外液壓變得較大，試驗(yàn)表明只有靠近子午線位置所承受的風(fēng)力為壓應(yīng)力，而距離子午線較遠(yuǎn)位置所承受的風(fēng)力是拉應(yīng)力，尤其當(dāng)周向展開角為65℃時(shí)，承受拉應(yīng)力是最大值，造成臨界屈曲在遠(yuǎn)離子午線的位置。

圖3 液高/罐高=1/6時(shí)的臨界屈曲位移云圖

圖4 液高/罐高=2/3時(shí)的臨界屈曲位移云圖

（2）通過LPF曲線可以得到臨界風(fēng)壓與液面高度的關(guān)系（如圖5所示）。通過比較可以得知，隨著液高逐漸增大時(shí)，臨界風(fēng)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(shí)候非常大，其他時(shí)候增幅相對較小。

圖5 臨界風(fēng)壓與液面高度的關(guān)系曲線

（3）通過臨界風(fēng)壓計(jì)算可以得到所對應(yīng)的臨界風(fēng)速（如圖6所示）。通過對比得到如下結(jié)果：臨界風(fēng)速和液高的逐漸增大成正比。當(dāng)液高/罐高≤1/6時(shí)，其臨界風(fēng)速大于61.8m/s，這種環(huán)境下所承受的外壓較低，罐子在抗風(fēng)載能力范圍因此相對安全的。而當(dāng)液高/罐高＞1/6時(shí)，其臨界風(fēng)速小于61.8 m/s，此時(shí)所承受的外壓較相當(dāng)于17級(jí)風(fēng)速，必須引起足夠的重視。

圖6 臨界風(fēng)速隨著液面高度的變化曲線

（4）由位移云圖可知，當(dāng)液高/罐高達(dá)到一定比值時(shí)，底部壓力會(huì)很大，由于儲(chǔ)罐壁厚不夠造成儲(chǔ)罐發(fā)生底部屈曲，比較容易造成儲(chǔ)罐傾覆、液體滲出。現(xiàn)在儲(chǔ)罐制造工藝下，由于現(xiàn)在設(shè)計(jì)和制造工藝大多數(shù)儲(chǔ)罐采用的是變壁厚結(jié)構(gòu)（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(xiàn)在情況下并不會(huì)出現(xiàn)在液面較高時(shí)，風(fēng)載荷下底部發(fā)生臨界屈曲的情況。

3 存在缺陷時(shí)儲(chǔ)罐風(fēng)致屈曲

缺陷值指的是設(shè)定儲(chǔ)罐的特征值屈曲模態(tài)中最大屈曲位移，其余部位的屈曲位移將按照屈曲模態(tài)的形狀進(jìn)行等比例換算。通過模擬計(jì)算明顯地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)儲(chǔ)罐存在缺陷時(shí)，其對應(yīng)的臨界風(fēng)壓為1.39 kPa左右，當(dāng)儲(chǔ)罐無缺陷時(shí)其對應(yīng)臨界風(fēng)壓為1.85 kPa左右（減少約20%），而此時(shí)臨界風(fēng)速約為44.90 m/s（相當(dāng)于10級(jí)臺(tái)風(fēng)）罐子在抗風(fēng)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(chǔ)罐的風(fēng)致屈曲特性

圖7 帶缺陷儲(chǔ)罐的臨界屈曲狀態(tài)位移云圖

為了弄清楚當(dāng)缺陷值不同的時(shí)候臨界屈曲對風(fēng)致屈曲的影響，在相同條件下，再取10個(gè)不同的缺陷值的儲(chǔ)罐，并用弧長法分別計(jì)算它們的風(fēng)致屈曲響應(yīng)，如表2所示。

表2 計(jì)算所采用不同儲(chǔ)罐的缺陷值大小

通過計(jì)算結(jié)果如下：

（1）對儲(chǔ)罐來說，由于本身的殼體結(jié)構(gòu)以及風(fēng)載荷的大小和方向?qū)е屡R界屈曲點(diǎn)以及后屈曲時(shí)位移最大點(diǎn)所在位置大致相同，無論臨界屈曲點(diǎn)還是后屈曲時(shí)位移最大點(diǎn)，都處在儲(chǔ)罐頂端周向展開角為10℃附近。

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

圖8 儲(chǔ)罐的臨界風(fēng)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(chǔ)罐臨界風(fēng)壓逐漸減小，減小的速度呈緩慢趨勢。當(dāng)缺陷值大于5倍厚度時(shí)，臨界風(fēng)壓將會(huì)下降到1 kPa以下。

（3）通過不同缺陷值儲(chǔ)罐的臨界風(fēng)壓，算出它們的臨界風(fēng)速（如圖9所示）。

圖9 儲(chǔ)罐的臨界風(fēng)速隨缺陷值的變化曲線

當(dāng)缺陷值為10倍厚度時(shí)，臨界風(fēng)速則變?yōu)?2 m/s（相當(dāng)于十四級(jí)臺(tái)風(fēng)）。在這種外力的作用下，罐子在抗風(fēng)載能力超出安全系數(shù)的范圍，儲(chǔ)罐極容易受風(fēng)力而發(fā)生傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。對罐體在運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)的缺陷值必須采取必要的防范措施。

4 結(jié)束語

（1）通過不同液高狀態(tài)油罐的風(fēng)致屈曲研究，發(fā)現(xiàn)液高的增大與臨界風(fēng)壓和臨界風(fēng)速增大成正比，當(dāng)液高與罐高之比達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，由于壓力作用使得儲(chǔ)罐底部臨界屈曲發(fā)生較大的變化，可能造成儲(chǔ)罐的傾覆危險(xiǎn)。

（2）通過對缺陷油罐的研究，對比了不同缺陷值情況下的風(fēng)致屈曲特性，得出儲(chǔ)罐的抗風(fēng)能力會(huì)明顯地減弱。因此應(yīng)該在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、制造工藝和檢驗(yàn)檢測、日常維護(hù)等方面引起重視。

[1]葛頌，陳志平，沈建民，等．立式儲(chǔ)液罐象足屈曲的準(zhǔn)靜態(tài)數(shù)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(chǔ)罐“象足”屈曲研究[D]．杭州：浙江大學(xué)，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(xué)，2010.

圖6 振動(dòng)盤產(chǎn)品圖

3 結(jié)束語

本文研究了振動(dòng)盤內(nèi)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(yōu)缺點(diǎn)比較來看，明顯采用數(shù)控車床加工此振動(dòng)盤最為有效的加工方法，對于尺寸較大或較小的內(nèi)形振動(dòng)盤都能適用，所以這種方法具有一定的應(yīng)用價(jià)值，值得推廣。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]胡育輝.數(shù)控銑床加工中心[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2005：14-82.

[3]黃麗芬.數(shù)控車床編程與操作[M].北京：中國勞動(dòng)社會(huì)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(tái)州人，本科，高級(jí)工程師，主要從事特種設(shè)備安全方面的檢測和研究。