基礎不均勻沉降球罐應力測試分析

吳澤民

（東北石油大學，黑龍江 大慶 163318）

在石化行業中，有許多的存儲設備，而球罐在其中運用得較為廣泛。由于地基基礎結構以及安裝工序和手法存在差異性，所以在將球罐使用一段時間后，經常會發生設施的不均勻沉降以及支柱傾斜等。而這些問題會導致支柱上的大小和應力分布不再相同，并且支柱的應力可能會超過標準，進而存在整體結構不穩定的危險，這直接影響球形罐的安全性。在這樣的情況下，就必須解決由不均勻沉降帶來的問題，所以應該進一步對球罐在不均勻沉降下的應力進行分析與測試，進而更好地解決可能會出現的問題，保證球罐能夠安全穩定地運行。

1 球罐基本情況和模型建立

某400m3液化石油氣球罐在2018-10 的定期檢查期間，發現某些支柱的垂直度超標，并且支柱基礎顯示出不同程度的沉降。在2018-12，對球罐進行了壓力測試，檢查所有焊縫和接頭不存在泄漏的問題，地基沉降的差異也在標準范圍內，球罐合格通過壓力測試。在2019-06，測量了該柱的基本沉降和垂直度。發現每個支柱的基礎沉降和支柱的垂直度基本不變。根據球罐圖紙參數，利用Ansys 有限元分析軟件建立球罐模型，球形外殼和支柱采用實心三維立體按鈕單元，桿采用連桿單元link 8，共有647,226 個單元和1,325,887個節點。由于球罐本身受力相對均勻且結構簡單，所以這種情況下網格分布非常稀疏。球罐與支柱之間的連接結構比較復雜，因此劃分比較密集（圖1）。

圖1 球罐整體網格圖

2 應力測試

基于球罐有限元分析，進而展開應力測試。在目前的傾斜和沉降下，球殼應力基本上不受影響，但在支柱上會產生很大的附加應力。在圓柱體和球形殼體之間的連接中會產生最大應力，每個圓柱體上的應力分布不均勻。球罐的內徑為9200mm，壁厚為34mm，最大工作壓力為0.8MPa，罐內環境為液化石油氣的混合物。初始填充因子為0.85，最大填充因子當前限制為0.65。由于球罐已成功通過全水位壓力測試，因此，根據最高液位（工作液位）高達5.5m 和壓力進行測試，最高測試為1.0MPa。測量點位于球形外殼和支柱上，每個測量點均使用三向應變花。在加載過程中，觀察每個測量點的變形情況，以隨時查看是否存在異常。如果發現任何異常，需要立即停止加載。在影響期間，當水進入時，頂部排水閥打開，并且從1.5m 的水位直到最高水位為5.5m，每0.5m 記錄一次數據。每個水位的應力值均合格，然后進入水的下一個階段。當最大水位達到5.5m 時，它將進入增壓階段。

3 應力分析

3.1 球殼應力分布

在基礎沉降之前和之后，可以看到von mises 的等效應力分布，可知與柱腿相連的區域中球形殼的應力很大。從該區域擴展開始，應力迅速減小到球膜的應力平衡點。在整個連接區域中，柱頂及與之連接的各個受力物之間的作用力較小。

3.2 支柱反力的不均勻度

為了讓分析能夠更加準確有效，這里介紹了支撐桿反作用力的不均勻性，其計算公式如下：

式中，Ni 是第i 支柱的反力，Na 是所有支柱的平均反力，N、n 是支柱的個數。支柱反力不均勻度圖2 以不同的下沉方式示出。

圖2 不同沉降方式下支柱反力的不均勻度

對圖4 進行進一步分析可以知道，不管沉降的類型如何，隨著柱沉降量的增加，柱反作用力的不均勻性也會增加。兩種類型的沉降形式不同，因此，兩側柱的反作用力不相等的變化和下沉方法完全相同。我們還可以發現，沉降量與支柱力是具有重要關聯性的關系。后兩種類型的不等反作用力變化遠大于前兩種類型，并且最小的變化是整體傾斜形式。

3.3 支柱強度分析

支腿主要用于支撐球罐，所以我們可以了解到二者之間存在相互作用力，其類型較為簡單，不需要過于精確地進行驗算。每個支柱的最大垂直壓縮應力根據支柱在相同沉陷下的位置而變化，并且可以看到不同的下沉條件。

圖3 支柱最大垂直壓縮應力隨支柱位置的變化規律

從圖3 可以看到，根據不同情況而與之相對應的變形情況特點，主要說明每個支柱的變化都是不相同的，主要原因還是沉降導致應力變化所造成的，應力作用越大，那么出現的變化也就越強，反之應力作用越小，出現的變化也就越小，二者是相輔相成、互相關聯的關系。并且發生沉降柱的應力變小，而相鄰柱的最大垂直壓縮應力會急劇增加，并且隨著沉降的增加，其增加也隨之增加。隨著與沉降桿的距離變長，最大垂直壓應力減小。

4 結語

總的來說，兩側的下沉比單根下沉和的整體下沉所發生的變化更大。與原來相比，最小的變化是中間凹陷的兩個部分。整體偏轉和傾斜柱的不相等反作用力的變化要大得多，并且最小的變化是整體垂直壓縮應力會隨著支柱的位置而顯著變化。

（1）沉降柱會對相鄰柱造成影響，因為沉降部分的應力作用較小，而與之相鄰部分的柱子應力較大，因為存在應力差的關系，所以二者相互間的作用力會不斷加大。而當整體出現變化時，傾斜度是最直觀和最簡單的觀察測量方式，通過測量能夠了解各部分傾斜的具體數值，進而了解各部分受力的特點。

（2）柱腿的傾斜度對球殼和柱子的應力影響不影響球罐的安全性。基礎的不規則沉降對球體的應力影響很小，但對圓柱體的應力影響很大。地基的不均勻沉降會在柱子上產生很大的壓力。經過不均勻的基礎和支柱的傾斜之后，在支柱上產生了很大的應力。附加應力的大小主要取決于地基的不規則沉降，以及由較小的傾斜度引起的附加應力。