原油儲(chǔ)罐變形對壁板應(yīng)力分布的影響分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

田 雨 向 蓉 劉仲敕 史書朋 岳 陽

1常州大學(xué)石油工程學(xué)院2長慶油田采油二廠3青海油田公司管道輸油處4青海油田機(jī)械廠

原油儲(chǔ)罐變形對壁板應(yīng)力分布的影響分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

田 雨1向 蓉2劉仲敕2史書朋3岳 陽4

1常州大學(xué)石油工程學(xué)院2長慶油田采油二廠3青海油田公司管道輸油處4青海油田機(jī)械廠

采用有限元軟件ANSYS對某油罐進(jìn)行模擬分析計(jì)算，比較儲(chǔ)罐滿載時(shí)罐體未變形與罐體變形兩種情況的應(yīng)力分布，得出該儲(chǔ)罐罐體已經(jīng)產(chǎn)生變形，且局部變形比較嚴(yán)重，對儲(chǔ)罐壁板的應(yīng)力分布有明顯影響。通過應(yīng)力分布計(jì)算和變形前后應(yīng)力結(jié)果數(shù)據(jù)比較可知，罐體中下部的多處應(yīng)力達(dá)到261～294 MPa，已經(jīng)處在罐體材料屈服極限的范圍內(nèi)，且個(gè)別點(diǎn)的應(yīng)力基本達(dá)到屈服極限上限290 MPa，具有一定危險(xiǎn)。因此建議對其它油罐也進(jìn)行變形檢測，防止罐體出現(xiàn)較大變形，影響油罐的安全運(yùn)行。

原油儲(chǔ)罐；應(yīng)力分布；有限元模型；屈服極限；安全評(píng)價(jià)

儲(chǔ)罐長期服役過程中，罐壁由于腐蝕而減薄，導(dǎo)致臨界載荷嚴(yán)重降低，在風(fēng)壓和罐內(nèi)負(fù)壓的作用下，當(dāng)外壓大于罐壁的臨界載荷時(shí)，罐壁產(chǎn)生失穩(wěn)，不僅影響儲(chǔ)罐正常使用，且危及企業(yè)安全，會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1]。對油罐壁板腐蝕失效處理，我國仍然采用傳統(tǒng)的事后維修管理模式[2]。大面積的更換和頻繁的大修，不僅嚴(yán)重影響了油罐的正常運(yùn)行，還帶來了新的安全隱患。事實(shí)證明，對油罐壁板實(shí)施科學(xué)評(píng)估，進(jìn)而確定合理的檢修周期，制定有針對性的檢修策略是預(yù)防壁板失效和避免過度檢修的有效途徑。油罐壁板失效的最終表現(xiàn)形式為過度變形、斷裂和泄漏，而應(yīng)力、應(yīng)變等過大是引起失效的最直接原因[3]。

某油田儲(chǔ)運(yùn)銷售分公司所屬各油庫有很多原油和成品油儲(chǔ)罐，這些油罐已運(yùn)行多年。選擇1座典型的經(jīng)過大修的原油儲(chǔ)罐，對其壁板的變形情況、基礎(chǔ)沉降量、罐底板腐蝕狀況、存在的裂紋缺陷及變化規(guī)律進(jìn)行評(píng)價(jià)研究[4]。

1 油罐檢測

該儲(chǔ)罐為10×104m3原油儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐內(nèi)徑為80 000 mm，罐壁高度為21 000 mm，各罐壁板厚度及高度如表1所示。

表1 罐壁板厚度及高度mm

對該油罐進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)：①聲發(fā)射檢測結(jié)果表明，罐底板有輕微腐蝕，但沒有關(guān)于油罐裂紋的檢測結(jié)果；②根據(jù)該罐的罐體圈板橢圓度、量油管和扶正管的垂直度監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出罐壁板有較大變形。

因此，應(yīng)確定該罐的具體應(yīng)力分布狀況，評(píng)價(jià)油罐罐體的變形對油罐強(qiáng)度的影響，為罐體的下一步防護(hù)提供科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)。

2 油罐應(yīng)力分析

采用有限元軟件ANSYS建立油罐的有限元模型，如圖1所示。

圖1 罐體有限元模型

儲(chǔ)罐所承受的載荷為罐體自重和充滿原油的靜壓作用。充液高度為20 400 mm，原油的密度為0.85 t/m3，原油的靜壓力呈三角形分布，由上到下逐漸增大，最底部的液體靜壓力為0.173 4 MPa。

從上到下測量各圈罐壁板的變形情況，其中第一、二圈壁板變形如圖2所示。

3 模型處理

圖2 第一、二圈壁板變形情況

對罐壁板采用殼體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。分別計(jì)算了儲(chǔ)罐滿載時(shí)罐體未變形與罐體變形兩種情況的應(yīng)力分布，并進(jìn)行了比較。

（1）罐體未變形時(shí)的應(yīng)力分布。未變形罐體為理想圓筒，罐壁各處的應(yīng)力與環(huán)向位置無關(guān)，僅與高度有關(guān)，從上到下，罐壁上的應(yīng)力越來越大，最大應(yīng)力為260 MPa，如圖3所示。參照同類油罐的設(shè)計(jì)資料，罐壁材料的許用應(yīng)力取260～290 MPa，目前最大應(yīng)力小于罐壁材料的許用應(yīng)力。

圖3 未變形罐體的應(yīng)力云圖

（2）罐體變形后的應(yīng)力分布。罐體變形后，罐體的形狀發(fā)生了不規(guī)則變化，使管壁的受力狀況惡化，圖4是變形罐體的應(yīng)力云圖。該圖顯示，由于罐壁的變形，罐壁上的應(yīng)力分布極不均勻。其中罐體變形后的最大應(yīng)力位于罐體有限元模型中的節(jié)點(diǎn)1 185處，具體位置為正西方，距地面高為7.2 m。其Mises等效應(yīng)力值為293 MPa，達(dá)到罐體材料的屈服極限的上限，而該處在未變形前的等效應(yīng)力值為210 MPa，應(yīng)力增大了39.5%，該處的應(yīng)力分布云圖見圖5。罐壁應(yīng)力超過260 MPa的點(diǎn)較多，這里只列出一小部分，見表2。

圖4 變形罐體的應(yīng)力云圖

圖5 最大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力云圖

表2 Mises等效應(yīng)力超過260 MPa的部分位置點(diǎn)

4 結(jié)語

通過計(jì)算分析可知，該儲(chǔ)罐罐體變形明顯，影響到罐壁板的應(yīng)力分布，比較變形前后應(yīng)力數(shù)據(jù)可知，罐體中下部的多處應(yīng)力達(dá)到261～294 MPa，已經(jīng)處在罐體材料屈服極限范圍內(nèi)，且個(gè)別點(diǎn)的應(yīng)力基本達(dá)到屈服極限上限290 MPa，因此有一定危險(xiǎn)。建議進(jìn)一步查找罐體變形的原因，從根本上防止罐體的進(jìn)一步變形；對其它油罐也可考慮進(jìn)行變形檢測，防止罐體出現(xiàn)較大變形，影響油罐的安全運(yùn)行。

[1]趙雪娥，蔣軍成．原油油罐的腐蝕機(jī)理研究及防護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀[J]．中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，15（3）：104-107．

[2]張足斌，王海琴．油氣管道與油罐設(shè)計(jì)[M]．北京：中國石油大學(xué)出版社，2012：39-42．

[3]Lu M W．Two step approach of stress classification and primary structure method[J]．Pressure vessel technology，2000，22（1）：2-8．

[4]曲曉建，李玉坤，段冠，等．大型儲(chǔ)罐罐底及邊緣板應(yīng)力分析方法的對比[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011，30（12）：919-922．

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.012

2015-06-16