浮頂排水系統(tǒng)底部支座加強(qiáng)板及焊縫應(yīng)力分析

崔亞梅，王 成，遠(yuǎn)雙杰

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

撓性接頭浮頂排水系統(tǒng)是國內(nèi)大型浮頂儲(chǔ)罐上常用的一種形式［1-8］。某100 000 m3浮頂原油儲(chǔ)罐上采用撓性接頭與復(fù)合型金屬軟管相連接的浮頂排水系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)及尺寸見圖1。大修時(shí)發(fā)現(xiàn)該原油儲(chǔ)罐的浮頂排水系統(tǒng)破壞失效［9-12］。現(xiàn)場照片顯示排水系統(tǒng)底部支座加強(qiáng)板焊縫已經(jīng)被撕裂，現(xiàn)場查看該焊縫為不滿焊狀態(tài)，焊腳高度大約為3 mm。

文中通過建立與實(shí)際情況相符的浮頂排水系統(tǒng)有限元模型，對(duì)浮頂排水系統(tǒng)位移及底部支座加強(qiáng)板與罐底焊縫應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算［13-18］，并對(duì)焊縫撕裂原因進(jìn)行分析。

圖1 撓性接頭浮頂排水系統(tǒng)示圖

1 浮頂排水系統(tǒng)有限元模型建立

建立浮頂排水系統(tǒng)有限元模型時(shí)采用笛卡爾坐標(biāo)系，x方向?yàn)榕潘芩谄矫娴乃椒较颍瑉方向?yàn)榕潘芩谄矫娴拇怪狈较颍瑈為豎直方向。排水系統(tǒng)采用帶中間節(jié)點(diǎn)的梁單元（圖2），底部支座加強(qiáng)板及焊縫采用帶中間節(jié)點(diǎn)的六面體實(shí)體單元（圖3），總共生成40 471個(gè)節(jié)點(diǎn)、68 596個(gè)單元。

圖2 浮頂排水系統(tǒng)有限元網(wǎng)格模型

圖3 底部支座加強(qiáng)板不滿焊有限元網(wǎng)格模型

2 浮頂排水系統(tǒng)模型載荷邊界條件

考慮排水管內(nèi)充滿水的嚴(yán)苛條件，排水系統(tǒng)承受重力和浮力作用。下支座與加強(qiáng)板連接，排水管下端與支座可繞z軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。排水管上端簡支，可繞y軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，并隨浮盤升降。

作用到加強(qiáng)板與罐底焊縫上的力和力矩與支座反力和反力矩是作用力與反作用的關(guān)系，即大小相等、方向相反。

由于排水管上端簡支，可繞y軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，所以浮盤沿y軸轉(zhuǎn)動(dòng)0.1 m的工況不會(huì)引起排水管上端轉(zhuǎn)動(dòng)，雖可導(dǎo)致x和z方向的平動(dòng)，但平動(dòng)位移小于0.1 m。因此本次分析中不考慮浮盤轉(zhuǎn)動(dòng)，只考慮浮盤晃動(dòng)最大情況，即浮盤分別沿x和z方向平動(dòng)0.1 m。

加強(qiáng)板與罐底焊縫模型的約束方式為內(nèi)圈和外圈焊腳部位固定約束。加強(qiáng)板底面只設(shè)置支撐約束，用于模擬罐底板對(duì)加強(qiáng)板的支撐作用。不考慮罐底板的變形。

3 加強(qiáng)板與罐底焊縫應(yīng)力校核標(biāo)準(zhǔn)

底部支座加強(qiáng)板與罐底焊縫的應(yīng)力校核基于JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（2005 年確認(rèn)）》［19］，通過線性化處理，得到焊縫截面的薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力以及一次應(yīng)力加二次應(yīng)力。支座加強(qiáng)板和罐底板的材料均為Q235B，其在常溫下的屈服強(qiáng)度為235 MPa。參照J(rèn)B/T 4732—1995，焊縫位置的應(yīng)力計(jì)算校核標(biāo)準(zhǔn)為，局部薄膜應(yīng)力不大于1.5Sm=235 MPa（Sm為常溫下屈服強(qiáng)度的1/1.5）,一次應(yīng)力加二次應(yīng)力不大于 3Sm=470 MPa。

焊縫的薄膜應(yīng)力為局部薄膜應(yīng)力，焊縫的彎曲應(yīng)力按二次應(yīng)力考慮，薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力與一次應(yīng)力加二次應(yīng)力數(shù)值相等。

4 加強(qiáng)板不滿焊模型應(yīng)力分析

4.1 液位高度5 m

浮盤晃動(dòng)對(duì)排水系統(tǒng)有一定影響，考慮極端情況下浮盤晃動(dòng)0.1 m，對(duì)不同液位下排水系統(tǒng)位移及加強(qiáng)板不滿焊模型應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析。

當(dāng)液位高度為5 m且浮盤分別沿x方向和z方向平移0.1 m時(shí)，加強(qiáng)板不滿焊模型應(yīng)力云圖見圖4和圖5。

圖4 液位高度5 m且浮盤x方向平移0.1 m時(shí)加強(qiáng)板應(yīng)力云圖

圖5 液位高度5 m且浮盤z方向平移0.1 m時(shí)加強(qiáng)板應(yīng)力云圖

由圖4和圖5可以看出，2種工況下加強(qiáng)板與罐底焊縫的最大應(yīng)力均位于加強(qiáng)板中間矩形孔底部焊縫。

針對(duì)每一種工況，通過最大應(yīng)力點(diǎn)，從最大應(yīng)力點(diǎn)往焊縫斜面做垂線得到線性化路徑，路徑與加強(qiáng)板底面夾角為45°。加強(qiáng)板不滿焊模型應(yīng)力線性化結(jié)果見表1，應(yīng)力線性化路徑見圖6。

從表1可見，液位高度5 m且浮盤發(fā)生x方向0.1 m位移時(shí)，加強(qiáng)板不滿焊模型局部薄膜應(yīng)力為243.343 MPa＞1.5Sm=235 MPa。此工況下加強(qiáng)板焊縫不滿足強(qiáng)度要求，將發(fā)生焊接強(qiáng)度失效，加強(qiáng)板的約束方式也會(huì)發(fā)生變化。

重新建立新的加強(qiáng)板與焊縫邊界條件，即加強(qiáng)板外圈焊縫與罐底板為固定約束，其余部分只有壓縮的支撐約束，排水系統(tǒng)受力與內(nèi)圈焊縫失效前相同。按新的邊界條件進(jìn)行應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力出現(xiàn)在加強(qiáng)板的外圈焊縫，從最大應(yīng)力點(diǎn)往焊縫斜面做垂線建立線性化路徑，路徑與加強(qiáng)板底面夾角為45°。液位高度5 m、浮盤發(fā)生x方向0.1 m位移時(shí)，得到的加強(qiáng)板不滿焊模型外圈焊縫線性化結(jié)果為，薄膜應(yīng)力284.512 MPa、彎曲應(yīng)力156.152 MPa、薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力433.052 MPa。可見加強(qiáng)板內(nèi)圈焊縫失效后，外圈焊縫局部薄膜應(yīng)力大于1.5Sm，不滿足強(qiáng)度要求，將發(fā)生外圈焊接強(qiáng)度失效，即整個(gè)加強(qiáng)板焊接強(qiáng)度失效，焊縫撕裂。

圖6 加強(qiáng)板不滿焊模型應(yīng)力線性化路徑

4.2 液位高度10 m

當(dāng)液位高度為10 m，且浮盤分別沿x方向和z方向平移0.1 m時(shí)，加強(qiáng)板不滿焊模型應(yīng)力云圖見圖7和圖8。從圖7和圖8看出，2種工況下加強(qiáng)板與罐底焊縫的最大應(yīng)力均位于加強(qiáng)板中間矩形孔底部焊縫。

圖7 液位高度10 m且浮盤x方向平移0.1 m時(shí)加強(qiáng)板應(yīng)力云圖

圖8 液位高度10 m且浮盤z方向平移0.1 m時(shí)加強(qiáng)板應(yīng)力云圖

按與液位高度5 m時(shí)同樣的方法建立線性化路徑，計(jì)算得到的應(yīng)力線性化結(jié)果見表1。從表1可以看出，液位高度10 m且浮盤發(fā)生x方向0.1 m位移時(shí)，加強(qiáng)板不滿焊模型局部薄膜應(yīng)力為139.862 MPa＜1.5Sm，薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力為272.226 MPa＜3Sm。

4.3 液位高度15 m

當(dāng)液位高度為15 m且浮盤分別沿x方向和z方向平移0.1 m時(shí)，加強(qiáng)板不滿焊模型應(yīng)力云圖見圖9和圖10。從圖9和圖10看出，2種工況下加強(qiáng)板與罐底焊縫的最大應(yīng)力均位于加強(qiáng)板中間矩形孔底部焊縫。

圖9 液位高度15 m且浮盤x方向平移0.1 m時(shí)加強(qiáng)板應(yīng)力云圖

圖10 液位高度15 m且浮盤z方向平移0.1 m時(shí)加強(qiáng)板應(yīng)力云圖

按與液位高度5 m時(shí)同樣的方法建立線性化路徑，計(jì)算得到的應(yīng)力線性化結(jié)果見表1。從表1可看出，液位高度15 m且浮盤發(fā)生x方向0.1 m位移時(shí)，加強(qiáng)板不滿焊模型的局部薄膜應(yīng)力為96.326 MPa＜1.5Sm，薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力為190.300 MPa＜3Sm。

4.4 液位高度20 m

當(dāng)液位高度為20 m且浮盤分別沿x方向和z方向平移0.1 m時(shí)，加強(qiáng)板不滿焊模型應(yīng)力云圖見圖11和圖12。圖11和圖12同樣表明，2種工況下加強(qiáng)板與罐底焊縫的最大應(yīng)力均位于加強(qiáng)板中間矩形孔底部焊接部位角點(diǎn)處。

圖11 液位高度20 m且浮盤x方向平移0.1 m時(shí)加強(qiáng)板應(yīng)力云圖

圖12 液位高度20 m且浮盤z方向平移0.1 m時(shí)加強(qiáng)板應(yīng)力云圖

按與液位高度5 m時(shí)同樣的方法建立線性化路徑，計(jì)算得到的應(yīng)力線性化結(jié)果見表1。從表1可以看出，液位高度20 m且浮盤發(fā)生x方向0.1 m位移時(shí)，加強(qiáng)板不滿焊模型局部薄膜應(yīng)力為66.073 MPa＜1.5Sm，薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力為132.474 MPa＜3Sm。

5 結(jié)語

通過建立浮頂排水系統(tǒng)有限元模型，對(duì)某浮頂原油儲(chǔ)罐浮頂排水系統(tǒng)底部支座加強(qiáng)板與罐底焊縫的強(qiáng)度問題進(jìn)行了模擬，計(jì)算了不同液位、不同運(yùn)行工況下排水系統(tǒng)位移和加強(qiáng)板與罐底焊縫應(yīng)力。計(jì)算分析結(jié)果表明，①液位高度為5 m且浮盤沿x方向平移0.1 m時(shí)，加強(qiáng)板與罐底焊縫的應(yīng)力最大。當(dāng)加強(qiáng)板內(nèi)圈焊縫強(qiáng)度失效后，外圈焊縫強(qiáng)度也會(huì)相繼失效，造成焊縫撕裂。②加強(qiáng)板與罐底為不滿焊時(shí)，所計(jì)算工況下加強(qiáng)板與罐底焊縫的線性化應(yīng)力不滿足JB/T 4732—1995中的強(qiáng)度要求。

筆者建議，加強(qiáng)板與罐底的焊接應(yīng)采用滿角焊且焊縫圓滑過渡，并對(duì)焊縫進(jìn)行無損檢測，以滿足相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)要求。