火災(zāi)條件下拱頂油罐弱連接結(jié)構(gòu)的失效分析

李玉，徐春明，韓帥，李鴻燁

（1 中國(guó)石油大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京102249； 2 中國(guó)人民警察大學(xué)科研部，河北廊坊065000； 3 德州市消防救援支隊(duì)，山東德州253000； 4 畢節(jié)市消防救援支隊(duì)，貴州畢節(jié)551700）

引 言

拱頂油罐因具有造價(jià)低廉、操作簡(jiǎn)便、鋼材利用率高的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外石化企業(yè)及各類油庫(kù)中應(yīng)用廣泛[1-3]。拱頂油罐一般設(shè)有呼吸閥和安全閥，用以保證正常工作壓力下的油罐安全[4-5]。但當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，拱頂油罐如長(zhǎng)時(shí)間受外部火焰烘烤，火焰所釋放的熱量會(huì)傳遞到罐壁，罐壁材料逐漸失效，同時(shí)內(nèi)部油品不斷汽化，油品蒸氣壓也隨之上升，油罐內(nèi)部壓力很容易達(dá)到耐壓極限，油罐開(kāi)始發(fā)生失穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生爆炸[6-7]，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)和國(guó)家安全造成巨大的威脅。拱頂油罐一般設(shè)有罐頂弱連接結(jié)構(gòu)。在油罐承受內(nèi)部破壞壓力時(shí)，通過(guò)削弱罐頂與角鋼連接處的焊縫強(qiáng)度，使拱頂油罐先在此處發(fā)生失效，防止失效發(fā)生在罐體中下部的罐壁、罐底或大角焊縫處，造成所儲(chǔ)存的易燃易爆的介質(zhì)外泄，避免災(zāi)害事故進(jìn)一步擴(kuò)展升級(jí)，發(fā)生二次災(zāi)害[8-10]。因此，拱頂油罐的失效實(shí)際上是罐頂弱連接結(jié)構(gòu)處的失效破裂，很有必要對(duì)其進(jìn)行研究。

趙敏偉[11]對(duì)比了API 650—2007《Welded Steel Tanks for Oil Storage》和GB 50341—2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》中弱連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件的差別。許蘊(yùn)博等[12-13]采用有限元方法對(duì)3000 m3立式拱頂油罐進(jìn)行了應(yīng)力分析和穩(wěn)定性計(jì)算，并提出了一種新的設(shè)計(jì)方法。吳曉濱[14]通過(guò)對(duì)拱頂油罐頂壁連接處的受力狀況進(jìn)行分析，推導(dǎo)了弱連接結(jié)構(gòu)處的有效承載截面的計(jì)算公式，并與GB 50341—2014進(jìn)行了對(duì)比分析。邱水才[15]采用實(shí)驗(yàn)和有限元方法對(duì)某10000 m3大型拱頂油罐的弱連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了失效研究和應(yīng)力分析，并進(jìn)行了斷口形貌分析。徐磊[16]采用模擬比例法和TNO多能法對(duì)弱頂結(jié)構(gòu)的立式拱頂油罐進(jìn)行了爆炸超壓評(píng)估研究。

對(duì)弱連接結(jié)構(gòu)失效方面的研究大都集中在常溫條件下[17-26]，未考慮火場(chǎng)時(shí)高溫對(duì)罐壁材料失效的影響。目前在油罐處置現(xiàn)場(chǎng)，救援人員大都依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷拱頂油罐安全與否[27]，容易造成貽誤戰(zhàn)機(jī)或撤離不及時(shí)造成人員傷亡。

本文通過(guò)設(shè)計(jì)拱頂油罐弱連接結(jié)構(gòu)的失效實(shí)驗(yàn)，研究了不同火場(chǎng)溫度下弱連接結(jié)構(gòu)的失效規(guī)律，并搭建實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證了失效規(guī)律的正確性。利用模型推導(dǎo)了不同容積油罐在不同火場(chǎng)溫度下的失效壓力和失效位移，可為火場(chǎng)條件下拱頂油罐的失效預(yù)警提供參考數(shù)據(jù)，對(duì)保障消防救援人員的安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 弱連接結(jié)構(gòu)失效實(shí)驗(yàn)

根據(jù)GB 50341—2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，立式拱頂油罐有多種規(guī)格，容積有100～100000 m3不等，但國(guó)內(nèi)1000～5000 m3容積應(yīng)用比較廣泛。本文以某化工園區(qū)5000 m3的拱頂罐[28]為例進(jìn)行分析，其弱連接結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在該弱連接結(jié)構(gòu)中，頂板與包邊角鋼外側(cè)連續(xù)角焊，焊角尺寸為4 mm，連接處的罐頂坡度為24.58°，其余焊角尺寸均為6 mm。

圖1 拱頂油罐弱連接結(jié)構(gòu)Fig.1 Weak connection structure of vaulted oil tank

弱連接結(jié)構(gòu)中頂板與包邊角鋼的受力垂直于其受力面，由拉力和剪切力共同作用，可分解為橫向力和垂直力。需分別對(duì)兩個(gè)方向的分力進(jìn)行拉伸失效實(shí)驗(yàn)，確定其破壞值。試件尺寸為?30 mm×700 mm，弱連接結(jié)構(gòu)和尺寸保持不變，其中罐壁厚度為6 mm、焊縫尺寸為4 mm，試件材料選用拱頂罐罐壁鋼材型號(hào)Q235，受力方向?yàn)榇怪狈较虻脑嚰?biāo)記為A 組，該組共有14 個(gè)試件，記為A1，A2，……，A14；受力方向?yàn)樗椒较虻脑嚰?biāo)記為B 組，該組共有14 個(gè)試件，記為B1，B2，……，B14。弱連接拉伸試件如圖2 和圖3 所示，選取14 個(gè)不同的溫度如表1所示。

為了對(duì)實(shí)驗(yàn)試件進(jìn)行拉伸，自行設(shè)計(jì)材料高溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[29]，如圖4 所示。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由三部分組成：操作控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和鋼材拉伸系統(tǒng)。操作控制系統(tǒng)包括溫控儀和手動(dòng)液壓控制器，溫控儀通過(guò)與爐內(nèi)的熱電偶相連用來(lái)設(shè)定加熱爐的溫度，最高可達(dá)1100℃。

圖2 弱連接結(jié)構(gòu)拉伸試件（垂直方向）Fig.2 Test specimens of weak connection structure(vertical direction;unit:mm)

圖3 弱連接結(jié)構(gòu)拉伸試件（水平方向）Fig.3 Test specimens of weak connection structure(horizontal direction;unit:mm)

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental condition

圖4 高溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.4 Sketch map of experimental platform for high temperature mechanical properties

在高溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)以上兩組28 個(gè)試件在不同的溫度條件下進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，可得到垂直試件和水平試件在不同溫度下的拉斷力以及應(yīng)力值，結(jié)果如表2和圖5所示。

由表2 可以看出，在不同的溫度下試件的拉斷力和應(yīng)力值不同，隨著溫度的逐漸升高，豎直構(gòu)件和水平構(gòu)件的拉斷力和應(yīng)力值總體上呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。在同一溫度條件下，垂直試件拉斷力和應(yīng)力值均小于水平試件，可以得出造成弱連接結(jié)構(gòu)失效的是罐頂豎直方向的壓力，可以以垂直試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為拱頂油罐弱連接結(jié)構(gòu)失效判定數(shù)據(jù)。

由圖5可以看出，當(dāng)溫度低于300℃時(shí)試件的拉斷力和失效應(yīng)力值變化較為平緩；當(dāng)溫度高于300℃時(shí)，拉斷力和失效應(yīng)力值變化顯著，400℃的失效應(yīng)力值為20℃的70%，500℃降為50%，600℃降為42%。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行4 次多項(xiàng)式擬合（R2=0.999），然后求導(dǎo)，可以得到敏感區(qū)變化峰值在450℃。

表2 不同溫度下試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of specimens at different temperatures

圖5 不同溫度下試件的拉斷力和應(yīng)力值Fig.5 Breaking force and stress value of the tensile at different temperatures

2 小尺寸實(shí)體罐失效實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了計(jì)算弱連接結(jié)構(gòu)失效實(shí)驗(yàn)的精度，搭建了容積為1 m3的拱頂油罐失效實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用高壓油泵（最大工作壓力為10 MPa）對(duì)拱頂罐進(jìn)行增壓，介質(zhì)為高溫導(dǎo)熱油（沸點(diǎn)500℃）；用紅外測(cè)距儀測(cè)量罐頂?shù)奈灰疲还摅w內(nèi)預(yù)設(shè)有熱電偶和壓力傳感器，記錄罐體溫度和壓力變化；實(shí)驗(yàn)臺(tái)周?chē)O(shè)有保護(hù)擋板，防止高溫導(dǎo)熱油外濺。弱連接結(jié)構(gòu)和尺寸保持不變，其中，罐壁厚度為6 mm、焊縫尺寸為4 mm。對(duì)不同溫度下的拱頂油罐進(jìn)行加壓實(shí)驗(yàn)，一直到其失效為止，其失效前后的形態(tài)對(duì)比如圖6所示。用紅外測(cè)距儀和罐內(nèi)的壓力傳感器分別記錄了在不同溫度下油罐發(fā)生失效時(shí)的壓強(qiáng)和罐頂位移，結(jié)果如圖7所示。可以看出，實(shí)驗(yàn)油罐失效位置在弱壁結(jié)構(gòu)處罐頂與角鋼連接的焊點(diǎn)位置，即4 mm焊縫處。

圖6 拱頂油罐失效前后對(duì)比（1 m3）Fig.6 Comparison of vaulted oil tank before and after failure(1 m3)

根據(jù)弱連接結(jié)構(gòu)失效實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和GB 50341—2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》，油罐失效應(yīng)力為：

圖7 不同溫度下拱頂油罐的失效壓強(qiáng)和罐頂位移（1 m3）Fig.7 Failure pressure and tank top displacement of vaulted oil tank at different temperatures(1 m3)

將表2得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果代入式（1），得到計(jì)算壓強(qiáng)，并與圖7 得到的實(shí)驗(yàn)壓強(qiáng)進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。

由圖8 可以看出，利用失效實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)通過(guò)推導(dǎo)得出的1 m3的拱頂油罐在不同溫度下的失效壓強(qiáng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致一樣，偏差度在8%以內(nèi)，可用于拱頂油罐失效預(yù)警的計(jì)算。

圖8 1 m3拱頂油罐失效計(jì)算和對(duì)比結(jié)果Fig.8 Failure calculation and comparison results of 1 m3 vaulted oil tank

表3 不同溫度下的承壓極限Table 3 Failure pressure at different temperatures

3 不同火場(chǎng)溫度下的失效壓強(qiáng)

同樣利用表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和式（1），可以計(jì)算不同容積拱頂油罐在不同火場(chǎng)溫度下的失效壓力，如表3所示。

由表3 可以計(jì)算得出，300℃時(shí)500、1000、2000、3000、5000 和10000 m3容積油罐的承載能力分別為20℃時(shí) 的84.3%、84.4%、84.6%、84.8%、85% 和85.3%，承載能力降低了約15%；400℃時(shí)承載能力降低了約25%；溫度高于400℃時(shí)，降低速率加快，500℃時(shí)承載能力降低了約45%、600℃時(shí)降低了約55%。

為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，根據(jù)GB 50341—2014，利用表2得到的拉斷強(qiáng)度作為失效值，計(jì)算了本文六種容積油罐的破壞壓力，對(duì)比結(jié)果如表4 所示。其中，a為本文的計(jì)算值；b為根據(jù)GB 50341—2014附錄A計(jì)算得到的數(shù)值。

表4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 4 Comparison of calculation results

由表4 可以看出，兩種計(jì)算方法得到的油罐失效壓力偏差值最大在6%左右，可以基于本文得到的油罐失效數(shù)據(jù)，對(duì)拱頂油罐的失效進(jìn)行預(yù)警，保證現(xiàn)場(chǎng)救援人員的生命安全。

4 結(jié) 論

（1）通過(guò)等尺寸實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)試了4 mm拱頂油罐弱連接結(jié)構(gòu)焊縫，在不同火場(chǎng)溫度下的水平方向和垂直方向的承載能力，結(jié)果表明：弱連接結(jié)構(gòu)失效是由罐頂所受壓力豎直方向的分力造成，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果可作為失效判據(jù)。當(dāng)溫度低于300℃時(shí)試件的拉斷力和失效應(yīng)力值變化較為平緩；當(dāng)溫度高于300℃時(shí)，拉斷力和失效應(yīng)力值變化顯著，其中450℃為變化峰值溫度。

（2）通過(guò)自行設(shè)計(jì)小尺寸實(shí)體罐失效實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了拱頂油罐弱連接結(jié)構(gòu)的破壞壓力。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明，失效壓力偏差在8%以內(nèi)，可用于拱頂油罐失效預(yù)警數(shù)據(jù)的計(jì)算。

（3）在弱連接結(jié)構(gòu)失效實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立了拱頂油罐失效壓力計(jì)算模型，并以4 mm焊縫為例，推導(dǎo)了不同容積油罐在不同溫度下的失效壓力，可為拱頂油罐失效預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐。

符 號(hào) 說(shuō) 明

A——弱連接結(jié)構(gòu)的有效面積，m2

D——油罐直徑，m

P——罐頂所受壓強(qiáng)，Pa

R2——擬合相關(guān)系數(shù)

θ——罐頂與罐壁連接處罐頂與水平面之間的角度，(°)

σ——實(shí)驗(yàn)得到的失效壓強(qiáng)，MPa