3 000 m3拱頂油罐力學(xué)響應(yīng)分析

李 玉，王乙程，李鴻燁

(1.中國人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000； 2.畢節(jié)市消防救援支隊(duì)，貴州 畢節(jié) 551700)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油的需求和貯備量不斷增長。固頂罐相較于外浮頂罐和內(nèi)浮頂罐具有造價低廉、制造簡便、鋼材利用率高等特點(diǎn)，立式拱頂儲油罐是最普遍的罐型之一。當(dāng)油罐處于火災(zāi)環(huán)境下時，罐體材料受溫度升高的影響，強(qiáng)度逐漸降低，油罐內(nèi)部壓力逐漸升高，隨時都有發(fā)生失效的危險。研究常溫條件下拱頂油罐的力學(xué)性能是研究火災(zāi)條件下油罐性能的基礎(chǔ)。

1 3 000 m3拱頂罐模型參數(shù)

油罐罐底半徑為9 515 mm，其中有65 mm的外側(cè)底板，油罐底部內(nèi)半徑為9 450 mm，罐底板厚度均為8 mm。油罐罐壁共分為8層，從最底部開始，第一層罐壁的厚度為12 mm；第二層、第三層罐壁厚度為10 mm，高度為1 580 mm；第四層、第五層罐壁厚度為8 mm，高度均為1 580 mm；第六層、第七層、第八層厚度均為6 mm，第六層和第七層高度為1 580 mm、第八層高度為1 180 mm；每兩層罐壁之間使用厚度為6 mm、高度為3 mm的焊縫連接。第八層罐壁上方連接包邊角鋼，包邊角鋼規(guī)格為75 mm×75 mm×8 mm。頂部罐壁板與包邊角鋼通過罐壁頂部焊腳為6 mm的三角形焊縫連接。油罐罐頂由中心頂板和罐頂板拼接而成：中心頂板為直徑2 000 mm、厚度6 mm的圓板；罐頂板為長度8 715 mm的弧形鋼板，鋼板半徑為22 680 mm。罐頂板與包邊角鋼成24.5°，罐頂板與包邊角鋼通過焊腳為4 mm的三角形焊縫連接。油罐所使用的材料為Q235-A和Q235-A,F，各不同部位所使用的材料參數(shù)見表1。

2 拱頂罐有限元模型的建立和網(wǎng)格劃分

單元類型的選擇，取決于模型的主要結(jié)構(gòu)、載荷的加載條件和模擬計(jì)算的分析目的。本文所做的主要是靜力分析，而且拱頂罐的各結(jié)構(gòu)厚度遠(yuǎn)小于拱頂罐的直徑，因此選取PLANE183單元作為模擬使用的網(wǎng)格單元。PLANE183是高階2維8節(jié)點(diǎn)單元，具有二次位移函數(shù)，可很好地適應(yīng)不同規(guī)則模型的分網(wǎng)。PLANE183單元具有塑性、蠕變、應(yīng)力剛度、大變形及大應(yīng)變的能力，可以模擬接近不可壓縮的彈塑性材料的變形，如圖1所示。

表1 3 000 m3拱頂罐材料參數(shù)表

圖1 PLANE183結(jié)構(gòu)圖

3 000 m3拱頂罐屬于軸對稱結(jié)構(gòu)，采用軸對稱模型進(jìn)行分析。網(wǎng)格劃分方式為自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分相結(jié)合，罐底和罐壁部分通過映射網(wǎng)格劃分的方式進(jìn)行，這樣產(chǎn)生的網(wǎng)格單元面積大；對于結(jié)構(gòu)造型較為復(fù)雜的包邊角鋼、罐頂和焊縫結(jié)構(gòu)，使用限定單元面積的自由網(wǎng)格劃分，一方面確保網(wǎng)格劃分的精度，一方面保證連接部位的匹配。劃分后單元總數(shù)量為286 997個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為924 186個。

3 邊界條件和載荷

對罐底板施加固定約束，該約束施加在罐底板的底面上，保證罐底和地面處于固定狀態(tài)，不會發(fā)生任何方向的位移。對該模型的對稱軸施加對稱約束，即對罐底中心截面和罐頂中心板中心截面施加對稱約束，保證模型的對稱性。由于拱頂罐的特性，要考慮重力、儲液靜壓力和蒸氣壓的作用。

重力：

G=mg=ρVg

(1)

式中，G為油罐自重，N；ρ為罐體材料密度，kg·m-3；V為罐體材料體積，m3；g為重力加速度，9.8 m·s-2。

儲液靜壓力：

Pg=ρgh

(2)

式中，Pg為液體靜壓力，Pa；ρ為液體密度，kg·m-3；g為重力加速度，9.8 m·s-2；h為距離液面高度，m。

拱頂罐中油品的靜壓力為三角形分布，隨著高度的上升而減少，如圖2所示。

圖2 拱頂罐液體靜壓力分布

拱頂油罐的設(shè)計(jì)壓力取安全閥的極限工作壓力，正壓1 960 Pa，負(fù)壓490 Pa。對于試驗(yàn)壓力，取正壓的1.1倍。當(dāng)拱頂罐處于普通工作狀態(tài)時，其內(nèi)部氣壓不會造成安全閥啟動，更不會達(dá)到設(shè)計(jì)的正壓極限。當(dāng)處在火災(zāi)條件時，拱頂罐受周圍火焰的影響，內(nèi)部溫度上升，液體蒸發(fā)速率增加，內(nèi)部氣壓上升，當(dāng)達(dá)到1 960 Pa時，安全閥開啟。此時會出現(xiàn)兩種不同的情況：(1)如果拱頂罐內(nèi)的氣壓上升速率小于安全閥工作時的降壓速率，罐內(nèi)的氣體會不斷泄出，壓力出現(xiàn)下降的趨勢，油罐壓力也將會趨于穩(wěn)定。(2)如果拱頂罐內(nèi)氣壓上升速率大于安全閥的泄壓速率，罐內(nèi)氣壓仍會上升，壓力不斷增長，達(dá)到拱頂罐的失效極限條件時，拱頂罐便會在高壓作用下發(fā)生撕裂。因此，在發(fā)生火災(zāi)時，拱頂罐內(nèi)氣體產(chǎn)生速率和安全閥泄壓速率的大小，就是拱頂罐在火災(zāi)中能否處于安全狀態(tài)的關(guān)鍵。

在不同的溫度下，汽油的飽和蒸氣壓P不同。通過翻閱資料，汽油的飽和蒸氣壓P與溫度T之間遵循擬合公式(3)：

lnP=-2870.835562/T+13.37244249

(3)

4 計(jì)算結(jié)果

結(jié)合立式拱頂油罐的實(shí)際情況，選取第四強(qiáng)度理論，即MISES應(yīng)力進(jìn)行分析。應(yīng)力值可用公式(4)計(jì)算：

式中，σ1，σ2，σ3分別指第一、二、三主應(yīng)力。

不同壓力下的計(jì)算結(jié)果如圖3～圖7所示。由圖3～圖7可以得出：對于3 000 m3拱頂罐，在其內(nèi)部壓力上升的情況下，承受力最大的部位為設(shè)計(jì)中的弱連接結(jié)構(gòu)，該部位最容易失效。不同載荷下，拱頂油罐的最大應(yīng)力值見表2?？梢钥闯?，當(dāng)拱頂油罐內(nèi)部壓力為2 kPa時，其最大應(yīng)力為238 MPa，大于材料屈服應(yīng)力235 MPa，可能發(fā)生失效破壞?；馂?zāi)條件下，當(dāng)內(nèi)部壓力與泄壓閥壓力之差大于2 kPa時，同樣也會發(fā)生失效。此時的失效變形最大位移為8.99 mm，位于拱頂頂部。

表2 3 000 m3拱頂罐模擬結(jié)果

圖3 1 000 Pa內(nèi)壓力模擬結(jié)果圖

圖4 2 000 Pa內(nèi)壓力模擬結(jié)果圖

圖5 3 000 Pa內(nèi)壓力模擬結(jié)果圖

圖6 4 000 Pa內(nèi)壓力模擬結(jié)果圖

圖7 5 000 Pa內(nèi)壓力模擬結(jié)果圖

5 結(jié)論

以3 000 m3拱頂油罐為例建立拱頂油罐的有限元模型，分析不同罐內(nèi)壓力下罐體的力學(xué)響應(yīng)特性。對于3 000 m3拱頂油罐，當(dāng)內(nèi)部壓力為2 kPa時，其最大應(yīng)力為238 MPa，大于材料屈服應(yīng)力235 MPa，可能發(fā)生失效破壞；最大變形為8.99 mm，位于拱頂頂部位置。研究結(jié)果可為現(xiàn)場油罐失效預(yù)警提供參考判定數(shù)據(jù)。