基礎(chǔ)不均勻沉降球罐應(yīng)力測試分析

吳澤民

（東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318）

在石化行業(yè)中，有許多的存儲(chǔ)設(shè)備，而球罐在其中運(yùn)用得較為廣泛。由于地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及安裝工序和手法存在差異性，所以在將球罐使用一段時(shí)間后，經(jīng)常會(huì)發(fā)生設(shè)施的不均勻沉降以及支柱傾斜等。而這些問題會(huì)導(dǎo)致支柱上的大小和應(yīng)力分布不再相同，并且支柱的應(yīng)力可能會(huì)超過標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而存在整體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的危險(xiǎn)，這直接影響球形罐的安全性。在這樣的情況下，就必須解決由不均勻沉降帶來的問題，所以應(yīng)該進(jìn)一步對(duì)球罐在不均勻沉降下的應(yīng)力進(jìn)行分析與測試，進(jìn)而更好地解決可能會(huì)出現(xiàn)的問題，保證球罐能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

1 球罐基本情況和模型建立

某400m3液化石油氣球罐在2018-10 的定期檢查期間，發(fā)現(xiàn)某些支柱的垂直度超標(biāo)，并且支柱基礎(chǔ)顯示出不同程度的沉降。在2018-12，對(duì)球罐進(jìn)行了壓力測試，檢查所有焊縫和接頭不存在泄漏的問題，地基沉降的差異也在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，球罐合格通過壓力測試。在2019-06，測量了該柱的基本沉降和垂直度。發(fā)現(xiàn)每個(gè)支柱的基礎(chǔ)沉降和支柱的垂直度基本不變。根據(jù)球罐圖紙參數(shù)，利用Ansys 有限元分析軟件建立球罐模型，球形外殼和支柱采用實(shí)心三維立體按鈕單元，桿采用連桿單元link 8，共有647,226 個(gè)單元和1,325,887個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于球罐本身受力相對(duì)均勻且結(jié)構(gòu)簡單，所以這種情況下網(wǎng)格分布非常稀疏。球罐與支柱之間的連接結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此劃分比較密集（圖1）。

圖1 球罐整體網(wǎng)格圖

2 應(yīng)力測試

基于球罐有限元分析，進(jìn)而展開應(yīng)力測試。在目前的傾斜和沉降下，球殼應(yīng)力基本上不受影響，但在支柱上會(huì)產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力。在圓柱體和球形殼體之間的連接中會(huì)產(chǎn)生最大應(yīng)力，每個(gè)圓柱體上的應(yīng)力分布不均勻。球罐的內(nèi)徑為9200mm，壁厚為34mm，最大工作壓力為0.8MPa，罐內(nèi)環(huán)境為液化石油氣的混合物。初始填充因子為0.85，最大填充因子當(dāng)前限制為0.65。由于球罐已成功通過全水位壓力測試，因此，根據(jù)最高液位（工作液位）高達(dá)5.5m 和壓力進(jìn)行測試，最高測試為1.0MPa。測量點(diǎn)位于球形外殼和支柱上，每個(gè)測量點(diǎn)均使用三向應(yīng)變花。在加載過程中，觀察每個(gè)測量點(diǎn)的變形情況，以隨時(shí)查看是否存在異常。如果發(fā)現(xiàn)任何異常，需要立即停止加載。在影響期間，當(dāng)水進(jìn)入時(shí)，頂部排水閥打開，并且從1.5m 的水位直到最高水位為5.5m，每0.5m 記錄一次數(shù)據(jù)。每個(gè)水位的應(yīng)力值均合格，然后進(jìn)入水的下一個(gè)階段。當(dāng)最大水位達(dá)到5.5m 時(shí)，它將進(jìn)入增壓階段。

3 應(yīng)力分析

3.1 球殼應(yīng)力分布

在基礎(chǔ)沉降之前和之后，可以看到von mises 的等效應(yīng)力分布，可知與柱腿相連的區(qū)域中球形殼的應(yīng)力很大。從該區(qū)域擴(kuò)展開始，應(yīng)力迅速減小到球膜的應(yīng)力平衡點(diǎn)。在整個(gè)連接區(qū)域中，柱頂及與之連接的各個(gè)受力物之間的作用力較小。

3.2 支柱反力的不均勻度

為了讓分析能夠更加準(zhǔn)確有效，這里介紹了支撐桿反作用力的不均勻性，其計(jì)算公式如下：

式中，Ni 是第i 支柱的反力，Na 是所有支柱的平均反力，N、n 是支柱的個(gè)數(shù)。支柱反力不均勻度圖2 以不同的下沉方式示出。

圖2 不同沉降方式下支柱反力的不均勻度

對(duì)圖4 進(jìn)行進(jìn)一步分析可以知道，不管沉降的類型如何，隨著柱沉降量的增加，柱反作用力的不均勻性也會(huì)增加。兩種類型的沉降形式不同，因此，兩側(cè)柱的反作用力不相等的變化和下沉方法完全相同。我們還可以發(fā)現(xiàn)，沉降量與支柱力是具有重要關(guān)聯(lián)性的關(guān)系。后兩種類型的不等反作用力變化遠(yuǎn)大于前兩種類型，并且最小的變化是整體傾斜形式。

3.3 支柱強(qiáng)度分析

支腿主要用于支撐球罐，所以我們可以了解到二者之間存在相互作用力，其類型較為簡單，不需要過于精確地進(jìn)行驗(yàn)算。每個(gè)支柱的最大垂直壓縮應(yīng)力根據(jù)支柱在相同沉陷下的位置而變化，并且可以看到不同的下沉條件。

圖3 支柱最大垂直壓縮應(yīng)力隨支柱位置的變化規(guī)律

從圖3 可以看到，根據(jù)不同情況而與之相對(duì)應(yīng)的變形情況特點(diǎn)，主要說明每個(gè)支柱的變化都是不相同的，主要原因還是沉降導(dǎo)致應(yīng)力變化所造成的，應(yīng)力作用越大，那么出現(xiàn)的變化也就越強(qiáng)，反之應(yīng)力作用越小，出現(xiàn)的變化也就越小，二者是相輔相成、互相關(guān)聯(lián)的關(guān)系。并且發(fā)生沉降柱的應(yīng)力變小，而相鄰柱的最大垂直壓縮應(yīng)力會(huì)急劇增加，并且隨著沉降的增加，其增加也隨之增加。隨著與沉降桿的距離變長，最大垂直壓應(yīng)力減小。

4 結(jié)語

總的來說，兩側(cè)的下沉比單根下沉和的整體下沉所發(fā)生的變化更大。與原來相比，最小的變化是中間凹陷的兩個(gè)部分。整體偏轉(zhuǎn)和傾斜柱的不相等反作用力的變化要大得多，并且最小的變化是整體垂直壓縮應(yīng)力會(huì)隨著支柱的位置而顯著變化。

（1）沉降柱會(huì)對(duì)相鄰柱造成影響，因?yàn)槌两挡糠值膽?yīng)力作用較小，而與之相鄰部分的柱子應(yīng)力較大，因?yàn)榇嬖趹?yīng)力差的關(guān)系，所以二者相互間的作用力會(huì)不斷加大。而當(dāng)整體出現(xiàn)變化時(shí)，傾斜度是最直觀和最簡單的觀察測量方式，通過測量能夠了解各部分傾斜的具體數(shù)值，進(jìn)而了解各部分受力的特點(diǎn)。

（2）柱腿的傾斜度對(duì)球殼和柱子的應(yīng)力影響不影響球罐的安全性?；A(chǔ)的不規(guī)則沉降對(duì)球體的應(yīng)力影響很小，但對(duì)圓柱體的應(yīng)力影響很大。地基的不均勻沉降會(huì)在柱子上產(chǎn)生很大的壓力。經(jīng)過不均勻的基礎(chǔ)和支柱的傾斜之后，在支柱上產(chǎn)生了很大的應(yīng)力。附加應(yīng)力的大小主要取決于地基的不規(guī)則沉降，以及由較小的傾斜度引起的附加應(yīng)力。