大型儲罐撓性接頭浮頂排水裝置應(yīng)力分析

崔亞梅，王 成，遠雙杰

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

撓性接頭浮頂排水裝置由柔性接頭與復合型金屬軟管構(gòu)成［1-9］，具有無相對運動副、動密封點少的特點，理論上發(fā)生滲漏的可能性較小，因而在大型儲罐中應(yīng)用廣泛。這種排水裝置用于外浮頂油罐時安裝在油罐內(nèi)部，不便進行日常狀態(tài)檢測和監(jiān)控，其撓性接頭軟管一旦發(fā)生撕裂，罐內(nèi)油品會流入浮頂排水裝置而造成環(huán)境污染，嚴重時還要清理和維修油罐［10-11］，不但浪費大量的資金．而且會影響到生產(chǎn)計劃，降低油品儲存能力。文中以某10萬m3外浮頂原油儲罐的撓性接頭排水裝置為對象，分析排水裝置復合軟管結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響因素，采用有限元方法模擬儲罐生產(chǎn)運行工況和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布［12-15］，確定應(yīng)力危險點，總結(jié)應(yīng)力變化規(guī)律。

1 外浮頂原油儲罐撓性接頭排水裝置建模

1.1 結(jié)構(gòu)及組成

某10萬m3外浮頂原油儲罐排水裝置為撓性接頭形式，其系統(tǒng)組成及安裝示意圖見圖1。

圖1 撓性接頭浮頂排水裝置構(gòu)成及現(xiàn)場安裝示圖

1.2 三維幾何模型

應(yīng)用ANSYS模擬軟件，不考慮安裝或者施工可能引起的初始應(yīng)力，以各部件未變形的狀態(tài)建立撓性接頭浮頂排水裝置三維幾何模型，見圖2。

圖2 撓性接頭浮頂排水裝置幾何模型

圖2中，上下折管、中間過渡接管和復合型軟管部分采用殼單元建模，齒輪箱部分和上下鉸鏈部分采用實體單元建模。為了模擬排水裝置隨浮頂移動的上下運動，不同部件之間運用了大量接觸和運動副連接方式。

1.3 邊界條件設(shè)置

排水管受自身重力和原油靜壓力作用。在復合型軟管與油罐底部直管連接接頭位置施加固定約束，下鉸鏈支座處施加可轉(zhuǎn)動約束，復合型軟管與集水坑接頭位置施加位移約束。排水結(jié)構(gòu)通過齒輪箱的聯(lián)動實現(xiàn)上下運動。在上鉸鏈支座處施加可轉(zhuǎn)動約束，同時施加豎向位移，模擬儲罐外浮頂隨著罐內(nèi)液位變化的升降運動。

2 排水裝置應(yīng)力影響因素

浮頂高度隨著儲罐內(nèi)液位的變化而變化，不同的外浮頂油罐罐內(nèi)液位對應(yīng)的排水裝置位移構(gòu)成了排水管受力的液位工況，通過改變外浮頂油罐罐內(nèi)液位，模擬排水裝置位移分布和排水管應(yīng)力分布，可以分析總結(jié)排水裝置應(yīng)力危險點。此外，浮盤晃動會牽動排水裝置，引發(fā)排水裝置軟管受力變化，產(chǎn)生應(yīng)力危險點，因此構(gòu)成排水管受力的應(yīng)力分析的浮盤工況，是排水裝置應(yīng)力分析的另一個研究點。

3 液位工況下排水裝置軟管應(yīng)力分析

3.1 罐內(nèi)5 m液位

外浮頂油罐罐內(nèi)液位5 m時排水裝置位移見圖3。圖3工況下復合型軟管受力見圖4。

圖3 外浮頂油罐液位5 m時排水裝置位移

圖4 外浮頂油罐液位5 m時復合型軟管應(yīng)力云圖

3.2 罐內(nèi)10 m液位

外浮頂油罐罐內(nèi)液位10 m時排水裝置位移見圖5。圖5工況下復合型軟管受力見圖6。

圖5 外浮頂油罐液位10 m時排水裝置位移

圖6 外浮頂油罐液位10 m時復合型軟管應(yīng)力云圖

3.3 罐內(nèi)15 m液位

外浮頂油罐罐內(nèi)液位15 m時排水裝置位移見圖7。圖7工況下復合型軟管受力見圖8。

圖7 外浮頂油罐液位15 m時排水裝置位移

圖8 外浮頂油罐液位15 m時復合型軟管應(yīng)力云圖

3.4 罐內(nèi)20 m液位

外浮頂油罐罐內(nèi)液位20 m時排水裝置位移見圖9。圖9工況下復合型軟管受力見圖10。

圖9 外浮頂油罐液位20 m時排水裝置位移

圖10 外浮頂油罐液位20 m時復合型軟管應(yīng)力云圖

3.5 液位工況綜合分析

為了方便描述，用①、②、③、④對撓性接頭浮頂油罐排水裝置的4段復合軟管分別編號 （圖4、圖 6、圖 8和圖10）。由圖 3～圖 6可知，液位為5 m和10 m時，最大應(yīng)力位于3號復合軟管與上折管連接位置的受拉一側(cè)；由圖7～圖10可知，液位為15 m和20 m時，最大應(yīng)力位于2號復合軟管與下折管連接位置的受拉一側(cè)。

現(xiàn)場設(shè)備實際發(fā)生破壞的位置也都在復合軟管與接管的連接位置附近（圖11），可證明仿真分析與實際現(xiàn)象基本一致。

圖11 復合型軟管破壞位置現(xiàn)場圖

對圖3～圖10的模擬數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，儲罐罐內(nèi)液位為 5、10、15、20 m時復合型軟管最大應(yīng)力依次為 43.0、90.6、155.4、173.2 MPa。可以看出，復合型軟管應(yīng)力隨儲罐罐內(nèi)液位的增高而增大，當儲罐罐內(nèi)液位為20 m時，復合型軟管應(yīng)力值最大，為173.2 MPa，最大應(yīng)力位于2號復合型軟管與下折管的接合部位。

4 浮盤工況下排水裝置軟管應(yīng)力分析

浮盤的晃動非常有限，模擬計算浮盤整體平動0.1 m的極限工況，基于儲罐罐內(nèi)液位20 m的工況進行研究。浮盤在排水管結(jié)構(gòu)所在的面內(nèi)平移0.1 m時復合型軟管的應(yīng)力分布見圖12。

圖12 浮盤平移0.1 m時復合型軟管應(yīng)力云圖

由圖12可知，最大應(yīng)力發(fā)生在1號軟管與下折管的接頭位置，為201.19 MPa。這說明浮盤發(fā)生微小平動會對排水裝置的受力產(chǎn)生影響，造成排水軟管部分應(yīng)力增大。

5 結(jié)語

模擬了大型儲罐撓性接頭浮頂排水裝置液位工況和浮盤工況下的應(yīng)力分布，分析了應(yīng)力危險點。在文中液位工況下，復合型軟管應(yīng)力隨儲罐罐內(nèi)液位的增高而增大，最大應(yīng)力位于復合型軟管與接管接合部位。儲罐罐內(nèi)液位為20 m時，復合型軟管應(yīng)力達到最大，為173.2 MPa，最大應(yīng)力點位于2號復合型軟管與下折管的接合部位。浮盤工況下，最大應(yīng)力發(fā)生在1號軟管與下折管的接頭位置，為201.19 MPa。建議采取措施避免浮盤發(fā)生晃動。