某原油儲罐應(yīng)力及風(fēng)險評價分析

王麗紅

摘要： 針對某油庫 6#儲罐，采用 ANSYS 建立有限元模型，對其罐壁板單元進行網(wǎng)格劃分，對比分析了滿載時罐體未變形及變形兩種情況的應(yīng)力分布，通過變形罐體的應(yīng)力云圖可以看出該儲罐罐體已經(jīng)產(chǎn)生變形，且局部變形比較嚴重。變形前后應(yīng)力數(shù)據(jù)顯示罐體多處已經(jīng)處在材料屈服極限范圍內(nèi)，甚至接近于屈服極限上限 290Mpa，具有一定危險。因此應(yīng)及時檢測其它儲罐并采取相應(yīng)措施防止罐體出現(xiàn)較大變形，以免影響油罐安全運行。

關(guān)鍵詞：油罐；有限元分析；應(yīng)力分布；屈服極限；安全

前言

原油儲罐一般用來儲存油品烴類等易燃易爆的液態(tài)介質(zhì)，且儲罐事故極易引起爆炸火災(zāi)等災(zāi)害，一旦發(fā)生事故，將會造成環(huán)境污染及重大的經(jīng)濟損失，甚至威脅到人民的生命。特別是現(xiàn)今大型超大型儲罐的日益增多，災(zāi)害事故更不堪設(shè)想。同時，隨著油庫中原油和成品油儲罐長時間運行，會伴隨出現(xiàn)罐壁變形、罐底壁板腐蝕等問題，嚴重影響油庫的安全運行，因此，對原油儲罐應(yīng)力及風(fēng)險進行評價分析， 對油庫的安全運行有著重要意義[1]。

根據(jù)儲罐破壞因素一般對儲罐展開兩個方面的研究，分別是靜力、動力特性研究。靜力特性理論研究上，對儲罐底板應(yīng)力的計算主要有 3 種方法，分別為 1968 年 DENHAM 等提出的剛性地基梁法[2]，1978 年中科院力學(xué)所的李國深法[3]，及 1996 年吳天云等提出的剛性一彈性地基梁藕合法[4-5] 。隨著有限元理論的日益完善， ANSYS、ABAQUS 和 ADINA 等大量有限元數(shù)值模擬軟件日趨成熟， 相比理論方法，有限元法更能靈活地展現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體變形狀態(tài)及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況。

1 6#油罐檢測情況

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)及聲波檢測發(fā)現(xiàn)罐壁板有較大變形，罐底板有輕微腐蝕，但沒有關(guān)于油罐裂紋的檢測結(jié)果；因此應(yīng)確定該罐的具體應(yīng)力分布狀況，評價油罐罐體的變形對油罐強度的影響。

1.1 儲罐模型基本假設(shè)

結(jié)合工程實際情況，相應(yīng)地作出如下簡化和假設(shè)[6]：

（1）罐體為線彈性材料；（2）地基土體為非線性的、均質(zhì)彈塑性模型的介質(zhì)；（3）采用一次性充滿水施加水壓荷載；（4）計算不計地基土固結(jié)。

1.2 模型荷載

有限元模型的荷載包括邊界條件和作用力的函數(shù)[7]。這里研究的靜載下儲罐模型僅涉及到表面荷載和 DOF 約束：

（1） 表面荷載

（2） DOF 約束

儲罐模型采用的 DOF 約束條件：地基模型上邊界除與儲罐接觸的部分為地表，定義為自由邊界，不予約束；儲罐模型的左邊界定義為對稱約束邊界；地基模型的右邊界定義為單約束邊界；地基模型的下邊界認為是支撐在基巖或硬土上，限制豎向位移，但對側(cè)向無約束。

2 建立有限元模型

采用有限元軟件ANSYS 建立油罐的有限元模型。

（1） 載荷條件

儲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 20400mm，原油的密度為 0.8510-5N/mm3，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 0.1734MPa。

（2） 網(wǎng)格處理

對于罐壁板，采用殼體單元，進行網(wǎng)格劃分。分別計算儲罐滿載時罐體未變形與罐體變形兩種情況的應(yīng)力分布，并進行對比。

3 6#罐體應(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 260MPa。

參照同類油罐的設(shè)計資料，罐壁材料的許用應(yīng)力取 260～290Mpa，則最大應(yīng)力小于罐壁材料的許用應(yīng)力。通過變形罐體的應(yīng)力云圖可以看成出，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，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 1185 處，具體位置為正西方，距地面高為7.2m，其Mises等效應(yīng)力值為293MPa，和罐體材料的屈服極限的上限持平，而該處在未變形前的等效應(yīng)力值為210Mpa，增大了 39.5%，該處的應(yīng)力分布云圖見圖 4。

4 結(jié)論與建議

針對某油庫 6#儲罐，采用 ANSYS 建立有限元模型，對比分析了滿載時罐體未變形及變形兩種情況的應(yīng)力分布，通過變形罐體的應(yīng)力云圖可以看出該儲罐罐體已經(jīng)產(chǎn)生變形，且局部變形比較嚴重。變形前后應(yīng)力數(shù)據(jù)顯示罐體多出已經(jīng)超過 260MPa，處在材料屈服極限范圍內(nèi)，甚至接近于屈服極限上限 290Mpa，具有一定危險。因此應(yīng)及時檢測其它儲罐并采取相應(yīng)措施防止罐體出現(xiàn)較大變形，影響油罐的安全運行。

參考文獻：

[1] 孫新宇，李曉明，彭仁海等.油罐安全運行與管理[M].北京：中國石化出版社，2005.

[2] 武銅柱.大型立式油罐發(fā)展綜述[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2004，25（3）：56-59.

[3] 潘家華，國光臣，高錫祺.油管及管道強度設(shè)計[M].北京：中國石化出版社，2005.

[4] J.B.Denham，J Russell，C M R Wills. How to Design a 600， 000-Bbl.Tank.HydrocarbonProcessing，1968，47（5）：137-142.

[5] 李國深.大型變截面圓柱罐壁和罐底的應(yīng)力分析[J].力學(xué)與實踐，1979，1（4）：38-41.

[6] 吳天云.油罐應(yīng)力分析的新方法及其計算驗證[J].石油化上設(shè)備，1997，26（5）：15-19.

[7]傅強，陳志平，鄭津洋.彈性基礎(chǔ)上大型石油儲罐的應(yīng)力分析[J].化工機械，2002，29（4）：210-213.