常壓儲(chǔ)罐底板檢漏儀的設(shè)計(jì)及其空氣運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)值模擬

侯 靜，任國棟

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引 言

大型立式圓筒形儲(chǔ)罐是石油和化工等企業(yè)用來儲(chǔ)存液體原料及產(chǎn)品的主要設(shè)備。由于目前原油、化工產(chǎn)品的進(jìn)出口量日益增多,越來越多地需要使用大型儲(chǔ)罐,石油和化工儲(chǔ)罐的大型化是一種發(fā)展趨勢(shì)。但是，當(dāng)儲(chǔ)罐的容積增大,其罐底占地面積大，造成的危害也相應(yīng)增大，對(duì)儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)沉陷要求也提高，如果基礎(chǔ)沉陷過大,就有可能造成罐底板變形,造成的應(yīng)力過大,儲(chǔ)罐底板焊縫就可能會(huì)出現(xiàn)裂縫。因此，底板承受的壓力最大，最危險(xiǎn)，故對(duì)儲(chǔ)罐底板檢測(cè)顯得尤為重要。

1 常壓儲(chǔ)罐底板的設(shè)計(jì)

相比前面所提的罐頂、罐壁的設(shè)計(jì),大型立式儲(chǔ)罐罐底的設(shè)計(jì)同樣不可疏忽。罐底除了承受儲(chǔ)罐自身的重力外,還要受到儲(chǔ)液的靜力和基礎(chǔ)沉降所產(chǎn)生的附加力等,罐底板邊緣部分受力狀況非常復(fù)雜。

1.1 排板方式

我國現(xiàn)行的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均明確規(guī)定,儲(chǔ)罐內(nèi)徑在12.5m以下的罐底板可以采用不設(shè)環(huán)形邊緣板的形式,當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)徑在12.5m以上時(shí),罐底板應(yīng)設(shè)邊緣板［1］。罐底板本身所受的應(yīng)力較小,但罐底邊緣由于受到罐壁、儲(chǔ)液、基礎(chǔ)環(huán)梁等的作用,因而對(duì)罐底邊緣板的要求比較高。對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)徑在12.5m以上的儲(chǔ)罐,其底板的邊緣板厚度與其相聯(lián)接的罐壁壁板的厚度有關(guān),各自對(duì)應(yīng)的數(shù)值在我國現(xiàn)行的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中均有規(guī)定。

圖1 條形排版罐底圖

圖2 弓形邊緣板罐底

1.2 石化標(biāo)準(zhǔn)底板設(shè)計(jì)要求

根據(jù)SH 3046—92的設(shè)計(jì)要求，罐內(nèi)直徑小于 12.5 m時(shí)，罐底宜采用條形底板，如圖1；罐內(nèi)直徑大于 12.5 m時(shí)罐底宜采用弓形邊緣板，如圖2。底板接頭可采用搭接或?qū)踊虼罱优c對(duì)接組合[2]。罐底板的搭接接頭，如圖3。

圖3 罐底板的搭接接頭

2 底板檢漏儀的設(shè)計(jì)

2.1 底板檢漏儀的工作原理

底板檢漏儀與被檢測(cè)底板理想狀態(tài)時(shí)保持密封，經(jīng)過軟管與檢漏儀上部出口孔與真空泵入口相連。當(dāng)?shù)装鍣z漏儀內(nèi)部壓力小于外部壓力是，就形成壓力差，使得檢漏儀外部氣體有進(jìn)入內(nèi)部的趨勢(shì)。如果底板有泄漏的地方，就可以通過澆過發(fā)泡水或肥皂水的底板上看到有氣泡產(chǎn)生，便可斷定泄漏的部位。

2.2 底板檢漏儀的設(shè)計(jì)模型

考慮到底板檢漏成本，以方便快捷實(shí)用的思路來設(shè)計(jì)檢漏儀。利用大型三維模型設(shè)計(jì)軟件UGNX4.0進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先建立搭接底板模型，再在搭接底板模型上面裝配一個(gè)矩形容器，頂部留有60 mm孔，是用來與泵連接抽氣的出口孔。材質(zhì)設(shè)計(jì)為透明的有機(jī)玻璃或工程塑料，如圖4所示加工。

圖4 檢漏儀設(shè)計(jì)模型

2.3 最終模型的確立

最終建立的三維模型，如圖5所示，從側(cè)面看留有一定的間隙。盡管不同的罐底搭接厚度大致一樣，但是還是有一些是不一樣的，比如常見的有10 mm,15 mm厚的鋼板搭接。但是也有其他厚度的鋼板搭接，為了提高在任意厚度搭接底板都能使用的概率，故設(shè)計(jì)有如圖6所示的縫隙。但是在檢漏儀外部四周固定薄而軟的橡膠，在外壓力的作用下最好能使軟橡膠緊密與地板貼緊，而實(shí)際過程中仍然是不可能做檢漏儀與地板完全密封的。所以在檢驗(yàn)過程中，大致兩側(cè)的孔最大是10~15 mm,盡管如此，依然不會(huì)影響到檢驗(yàn)檢測(cè)的。

圖5 在模型放在罐底側(cè)面圖

圖6 在模型放在罐底正視圖

3 真空檢漏儀的空氣流場(chǎng)數(shù)值模擬及檢測(cè)有效區(qū)的測(cè)定

3.1 檢漏儀空氣進(jìn)出口的設(shè)定

如圖7所示，左下側(cè)和右下側(cè)都有直徑約15 mm的小孔，用來假設(shè)軟橡膠與搭接底板的縫隙。實(shí)際檢驗(yàn)過程中，縫隙并非是圓形，這里保守地取直徑為15 mm的小孔來模擬縫隙，具體模型，如圖7所示。由圖8可以看出，內(nèi)部空氣流場(chǎng)分布不均勻，從流線來看，形成了渦流。因此，此模型從動(dòng)力學(xué)角度來考慮，是不適宜的。應(yīng)該更改模型結(jié)構(gòu)。但考慮是常壓設(shè)備，此模型已足以滿足檢驗(yàn)需求。

圖7 數(shù)值模擬縫隙等效三維模型圖

圖8 檢漏儀中的空氣流線分布特性

3.2 空氣在檢漏儀中的速度矢量分布

由圖9可以看出：流體在兩個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口流速都比較快，在左側(cè)形成速度較快的渦流，這對(duì)于檢測(cè)是不利的。由圖10看出，空氣的速度流向與大小，有的地方速度快，有的地方速度慢。空氣的速度流向均由兩小孔流入空氣，流向出氣口。而且在出口正對(duì)的底部幾乎是沒有空氣到達(dá)的地方，所以此地方為最理想的地方?？墒沁@樣的地方面積很小。用標(biāo)尺測(cè)的長(zhǎng)度約為110 mm，用標(biāo)尺測(cè)得空氣小孔入口兩內(nèi)側(cè)15 mm內(nèi)是有效檢測(cè)區(qū)。

圖9 空氣在檢漏儀中的流場(chǎng)速率分布

圖10 空氣在檢漏儀中的流場(chǎng)速度矢量分布

3.3 空氣在檢漏儀中的壓力梯度分布

3.3.1 壓力梯度

由于氣壓分布不均勻而作用于單位質(zhì)量空氣上的力,其方向由高壓指向低壓。有時(shí)又稱為氣壓梯度力。事實(shí)上并不是真正意義上的“力”，它其實(shí)是由于氣壓不同而產(chǎn)生的空氣加速度(即單位質(zhì)量所受的力)。它是產(chǎn)生從高氣壓區(qū)向低氣壓區(qū)的空氣加速度的原因，產(chǎn)生風(fēng)。

3.3.2 壓力梯度力的計(jì)算

對(duì)水平氣壓梯度力進(jìn)行分析。

圖11 單元受力

因此，作用于單位質(zhì)量空氣塊上的凈壓力（氣壓梯度力）G

由于氣壓梯度：﹣▽p，氣壓梯度的方向：垂直于等壓線，由高壓指向低壓。所以，氣壓梯度力的方向：垂直于等壓線，由高壓指向低壓。

同理，可以推出：

其中，水平氣壓梯度力是形成風(fēng)的原始動(dòng)力。所以，圖12空氣在檢漏儀中的平面壓力梯度分布情況，說明進(jìn)出口的壓力梯度比較大，最大值達(dá)到（2.6×102）kg·m-2·s-2，它的矢量方向，如圖13所示。三維壓力梯度的最大值也為（2.6×102）kg·m-2·s-2，但是它的方向卻與二維的不一樣。但是兩者的共同點(diǎn)是形成了風(fēng)。這對(duì)檢測(cè)有效檢測(cè)長(zhǎng)度和氣泡的形成是非常不利的。

圖12 空氣在檢漏儀中的平面壓力梯度分布

圖13 空氣在檢漏儀中的三維壓力梯度分布

4 結(jié) 論

1）模型的設(shè)計(jì)可以滿足檢驗(yàn)需求。但是泵的功率不能太大。否則影響檢測(cè)有效區(qū)域。通過圖8、圖10,用標(biāo)尺測(cè)得空氣小孔入口兩內(nèi)側(cè)15 mm內(nèi)是有效檢測(cè)區(qū)。

2）由圖12和13得出，檢漏儀內(nèi)部有風(fēng)的形成，這對(duì)檢測(cè)是非常不利的，影響氣泡的產(chǎn)生和觀察。

3）模型內(nèi)空氣流線光滑，平緩，盡量沒有渦流的產(chǎn)生和風(fēng)的形成。

4）對(duì)于常壓儲(chǔ)罐，可以滿足基本的檢驗(yàn)要求。

5）對(duì)于常壓儲(chǔ)罐的對(duì)接和搭接底板均可實(shí)用此檢測(cè)儀。方便快捷，低成本，高效率的完成檢漏任務(wù)。

總之，大型立式圓筒形儲(chǔ)罐的使用是目前國內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì),設(shè)計(jì)與制造簡(jiǎn)單檢漏儀等方面的一些問題是十分必要的。根據(jù)多年從事大型立式儲(chǔ)罐檢驗(yàn),將設(shè)計(jì)的模型投入應(yīng)用，效果良好。為今后的此類設(shè)計(jì)工作奠定了一定的基礎(chǔ)。

[1] 中國石油化工總公司.SH 3046—1992石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國石化出版社，1992：3-5.

[2] 陸志良.空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.