基于電阻應(yīng)變測試的大型原油儲(chǔ)罐彎曲應(yīng)力檢測

周笑

摘? 要：石油化工行業(yè)的迅猛發(fā)展，使得人們越來越重視能源的安全問題，在大量建造大型原油儲(chǔ)罐的同時(shí)，產(chǎn)生的安全隱患問題也逐漸增加。針對這一問題，提出了一種基于電阻應(yīng)變的大型原油儲(chǔ)罐彎曲應(yīng)力檢測方法，并對應(yīng)力計(jì)算模型以及應(yīng)變片布置進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)對比表明，該文方法準(zhǔn)確性更高，更適應(yīng)于在石油化工行業(yè)對儲(chǔ)罐應(yīng)力的檢測。

關(guān)鍵詞：電阻應(yīng)變? 大型? 原油儲(chǔ)罐? 彎曲應(yīng)力

隨著石油化工行業(yè)的快速發(fā)展，儲(chǔ)油設(shè)備規(guī)模逐漸擴(kuò)大，且復(fù)雜程度也逐漸增加，因此對于儲(chǔ)罐設(shè)備的安全問題也受到了越來越多的重視。但是，目前仍沒有一套較為完整的安全檢測方法，適用于儲(chǔ)罐運(yùn)行過程中潛在隱患檢測[1]。在現(xiàn)有的對原油儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)規(guī)范中，并沒有一項(xiàng)是針對原油儲(chǔ)罐彎曲應(yīng)力的定義，當(dāng)原油儲(chǔ)罐受到外界壓力過大時(shí)，儲(chǔ)罐本身并不能保證受到壓力不會(huì)變形或破裂[2]。因此，對于大型原油儲(chǔ)罐的彎曲應(yīng)力的檢測方法具有一定的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。

1? 大型原油儲(chǔ)罐彎曲應(yīng)力檢測

1.1 應(yīng)力計(jì)算模型

在制定檢測方法前，首先要對儲(chǔ)罐的應(yīng)力計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立一個(gè)應(yīng)力計(jì)算模型。圖1為一個(gè)高度為L的原油儲(chǔ)罐，在儲(chǔ)罐頂端受到單個(gè)應(yīng)力為F的作用力的形變簡圖。

以儲(chǔ)罐的地部所在地面為坐標(biāo)x軸，根據(jù)材料力學(xué)等相關(guān)知識，可以得到如下曲線方程式：

公式（1）中，E為儲(chǔ)罐的彈性模量;I為儲(chǔ)罐中心軸的慣性矩;EI為儲(chǔ)罐的抗彎剛性;α為在合作用點(diǎn)距離儲(chǔ)罐底部的距離;x為任意一點(diǎn)距離儲(chǔ)罐底部的距離。當(dāng)施加的單個(gè)應(yīng)力F作用位置固定時(shí)，在某一個(gè)固定位置上，由該應(yīng)力作用所產(chǎn)生的撓度ω只會(huì)與應(yīng)力F的大小相關(guān)，且二者之間存在線性關(guān)系[3]，由此可以得出，當(dāng)儲(chǔ)罐受應(yīng)力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿圓周方向較小的撓度值。

作用在儲(chǔ)罐表面的應(yīng)力Fn垂直于儲(chǔ)罐水平面，該應(yīng)力與儲(chǔ)罐的切面Pα'bc傾斜成一定角度，稱為法向嚙合角αn。法向上的應(yīng)力Fn可以分解為3個(gè)相互間垂直的分力，分別表示為沿儲(chǔ)罐豎直方向上的應(yīng)力Ft;沿儲(chǔ)罐徑向上的應(yīng)力Fr;沿軸向上的應(yīng)力Fα。由應(yīng)力的相關(guān)知識可以得出，導(dǎo)致原油儲(chǔ)罐彎曲的應(yīng)力公式為。

公式（2）中，K為應(yīng)力系數(shù);YFα為儲(chǔ)罐的彎曲系數(shù);YSα為應(yīng)力校正系數(shù);Yβ為彎曲角影響系數(shù);b為儲(chǔ)罐直徑;mn為法向模數(shù);Zα為端面的重合度數(shù)。

1.2 應(yīng)變片布置

大型原油儲(chǔ)罐的內(nèi)外表面積較大，為了快速準(zhǔn)確地測量出儲(chǔ)罐壁當(dāng)中的常規(guī)應(yīng)力值以及開孔所導(dǎo)致的應(yīng)力集中值，首先要對大型原油儲(chǔ)罐的應(yīng)力采用三維的有限元方法進(jìn)行初步的分析與計(jì)算，找出應(yīng)力較為集中的部分或應(yīng)力分布較為明顯的區(qū)域，再進(jìn)行下一步——制定應(yīng)變片布置方案。

大型原油儲(chǔ)罐的外壁布置的應(yīng)變片具體位置應(yīng)該設(shè)置在大角焊縫中、第一道以及第二道環(huán)焊縫中和儲(chǔ)罐開口周圍，并讓應(yīng)變片布置相對密集。還要選取一個(gè)具有一定間隔的兩個(gè)相互垂直的截面，在其中的一個(gè)截面的外壁和內(nèi)壁上各設(shè)置一個(gè)應(yīng)變片，高度設(shè)定為第二個(gè)環(huán)焊縫接口處，在另一個(gè)界面的外壁上設(shè)置一個(gè)應(yīng)變片，高度設(shè)定在儲(chǔ)罐的最高點(diǎn)上。布置完畢后，對每一個(gè)應(yīng)變片進(jìn)行編號，將環(huán)向應(yīng)變片用奇數(shù)表示，軸向應(yīng)變片用偶數(shù)表示。為了使邊緣應(yīng)力的影響反映得更加明顯，在儲(chǔ)罐焊縫附近布置的應(yīng)變片應(yīng)更加密集。

2? 對比實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該文提出的應(yīng)力檢測方法能夠更加有效的、準(zhǔn)確地檢測出大型原油儲(chǔ)罐彎曲的應(yīng)力，建立了如下對比實(shí)驗(yàn)：

選取兩個(gè)規(guī)格完全相同的大型原油儲(chǔ)罐，利用該文檢測方法與傳統(tǒng)檢測方法分別對這兩個(gè)儲(chǔ)罐的彎曲應(yīng)力進(jìn)行檢測，在保證除檢測方法外，其余條件均相同的情況下，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的數(shù)據(jù)記錄在表1中，并將兩種方法檢測的結(jié)果與實(shí)際的應(yīng)力值進(jìn)行比較，比較兩種方法的檢測精度。

通過表1記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算出兩種檢測方法的檢測精度，傳統(tǒng)方法的檢測精度在80%～90%，該文方法的檢測精度在98%～99%，由此可以看出，該文檢測方法檢測到的應(yīng)力值與實(shí)際的應(yīng)力值更加接近，更具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)可以證明，該文提出的檢測方法能夠有效針對正常運(yùn)行的大型原油儲(chǔ)罐彎曲的應(yīng)力進(jìn)行檢測，且具有線性度良好、靈敏度高、效果理想等優(yōu)點(diǎn)。該方法能夠有效克服傳統(tǒng)檢測方法的弊端，能夠?qū)?shí)際情況帶入到測量當(dāng)中，保證結(jié)果的真實(shí)、可靠。

3? 結(jié)語

為解決當(dāng)前大型原油儲(chǔ)罐彎曲應(yīng)力檢測準(zhǔn)確率低的問題，提出基于電阻應(yīng)變測試的大型原油儲(chǔ)罐彎曲應(yīng)力檢測研究。根據(jù)設(shè)計(jì)的應(yīng)力計(jì)算模型及應(yīng)變片布置，完成該文研究，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法可以有效提高儲(chǔ)罐彎曲應(yīng)力檢測準(zhǔn)確率，具有實(shí)際應(yīng)用意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 石磊，帥健，許葵，等.大型非錨固變壁厚外浮頂原油儲(chǔ)罐的應(yīng)力測試[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2017，36（10）：1128-1132.

[2] 徐中原，王維，王玉林，等.利用AE檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)大型原油儲(chǔ)罐的在線檢測[J].煉油與化工，2018，29（6）：33-35.

[3] 趙金龍，黃弘，屈克思，等.基于數(shù)值模擬的大型原油儲(chǔ)罐熱輻射響應(yīng)研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2017，48（6）：1651-1658.