含缺陷球罐的應(yīng)力評價及容限分析

陳善武，吳新偉

（湖南省特種設(shè)備檢驗檢測研究院， 湖南 長沙 410117）

近年來，我國先后發(fā)生了汶川、雅安等一系列大地震，對該地區(qū)的化工設(shè)備造成了嚴(yán)重影響。球形儲罐廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)中，地震不僅導(dǎo)致其使用功能喪失，而且會導(dǎo)致爆炸、火災(zāi)及環(huán)境污染等災(zāi)難性后果。這些破壞所導(dǎo)致的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過儲罐本身和儲液的經(jīng)濟(jì)價值。目前，國內(nèi)外科研工作者對球罐結(jié)構(gòu)抗震和震后修復(fù)的工作做大量工作[1-11]，但對球罐的震后評價做得不多[12]，且由于汶川地震后，全國的抗震設(shè)防烈度均做了大量調(diào)整，其中成都的部分轄區(qū)地震加速度由0.05g提升到0.1g[13]。本文以某地震后含缺陷球罐進(jìn)行精細(xì)建模，校核其是否滿足現(xiàn)有抗震規(guī)范。

1 球罐的基本參數(shù)及缺陷描述

該球罐為5000m3常溫天然氣儲罐，球罐為1997年法國原裝進(jìn)口球罐，至今已服役17年。其主體材質(zhì)為ASTM A537Cl，支柱、底板、拉桿等其他附件材質(zhì)為S235JR-NF EN10025，球罐的內(nèi)徑為21220mm，壁厚為29mm，設(shè)計壓力為1.2MPa。球罐為赤道正切式支撐結(jié)構(gòu)，在球罐赤道處均勻分布著11根φ1000×8薄壁支柱，支柱高程為12615mm。在兩相鄰支柱之間設(shè)有交叉拉桿，拉桿長為9975mm，直徑為40mm。

球罐的缺陷主要包括球罐支柱沉降，支柱垂直度變化以及球罐中心與支柱擬合中心變化。其中支柱沉降是指支柱自服役以來，歷年的累計沉降量，其詳細(xì)參數(shù)表1：

支柱垂直度變化主要是用來描述支柱的整體傾斜狀況和支柱的橢圓度變化情況。通過激光掃描儀對支柱高程逐步掃描來記錄支柱的垂直度變化，具體描述參數(shù)主要包括徑向支柱垂直度變化和周向垂直度變化，如圖1所示。

表1 球罐支柱基礎(chǔ)沉降量

圖1 支柱變形周向分量及徑向分量計算示意圖

由于球罐的質(zhì)量基本上集中在球罐上，導(dǎo)致重心高，穩(wěn)定性差。球罐服役多年及近幾年地震頻繁，誤差積累勢必存在一定的偏移。球罐中心與支柱擬合中心示意圖如下：

圖2 支柱的垂直度變化

圖3 罐體中心與支柱擬合中心的差異

表2 罐體中心坐標(biāo)與支柱擬合罐體中心坐標(biāo)對比表

通過對球罐進(jìn)行以上三個缺陷精細(xì)描述，真實地反映整個球罐的變形，為后續(xù)分析提供必要的數(shù)據(jù)。

2 球罐的有限元計算

隨著計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，有限元方法越來越成為球形儲罐設(shè)計、分析的重要手段。按照本文所描述的球罐基本尺寸和球罐缺陷建立精細(xì)球罐模型幾何模型如圖4(a)，球罐與支柱的連接部位放大圖如圖4(b)，整體球罐的有限元模型如圖5。其中采用8節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)殼單元（SHELL93）對支柱、底板、球殼進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，采用三維桿單元（LINK8）對拉桿進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，單元總數(shù)為23741個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為71948個。

圖4 球罐幾何模型

圖5 球罐有限元模型

考慮到最大風(fēng)速和最高地震級別同時出現(xiàn)的可能性很小，按照文獻(xiàn)[14]的有關(guān)規(guī)定，不需要同時考慮風(fēng)載荷與地震載荷，將地震載荷和風(fēng)載荷視為作用于球殼中心的集中水平載荷，按照水平地震力和水平風(fēng)力組合的最大水平力考慮。同時又考慮到該球罐儲存物質(zhì)主要為天然氣，故忽略地震時球罐氣體質(zhì)量晃動的影響，因此取球罐操作狀態(tài)下的總重力載荷+操作壓力+25%風(fēng)載+地震載荷工況作為典型工況，對球罐進(jìn)行力學(xué)性能分析。其中風(fēng)載和地震載荷分別參照文獻(xiàn)[14]第6.4節(jié)和6.5節(jié)計算選取。

貧窮不是社會主義，發(fā)展太慢也不是社會主義。改革開放的首要任務(wù)必須是解放和發(fā)展生產(chǎn)力，因而在改革開放的過程中強(qiáng)調(diào)以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為中心很容易被理解和接受。但是，“窗口打開了蒼蠅蚊子也會飛進(jìn)來”。如何才能在改革開放過程中做到“排污不排外”呢？這是走在改革開放前列的廣東和廣州不得不面對的突出問題。在實踐中，廣州逐步認(rèn)識到只抓經(jīng)濟(jì)建設(shè)不抓思想文化建設(shè)不行，必須在抓物質(zhì)文明建設(shè)的同時抓好社會主義精神文明建設(shè)，要通過加強(qiáng)自身的文化建設(shè)來構(gòu)筑“防火墻”，為推動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供基于價值共識和道德判斷的理性支撐。

3 應(yīng)力分析與評定

對有限元模型施加邊界條件求解后，對球殼、支柱及球殼與支柱的連接處分別進(jìn)行校核，看其是否滿足抗震要求。通過計算得到其應(yīng)力云圖如圖6所示，最大應(yīng)力為307.363MPa，出現(xiàn)在球體與支柱相連接的a點(diǎn)位置。

圖6 球罐整體及局部應(yīng)力云圖

根據(jù)文獻(xiàn)[15]中關(guān)于結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力的說明，由于本次計算的設(shè)計載荷為設(shè)計壓力+風(fēng)荷載+地震載荷，故載荷組合系數(shù)K=1.2，因此，ASTM A537Cl材料的應(yīng)力的許用值為1.5KSm=376.81MPa，S235JR-NF EN10025材料的應(yīng)力的許用值為1.5KSm=259.56MPa，表3給出了球罐在整體變形、基礎(chǔ)沉降和垂直度變化后的應(yīng)力校核。綜合表3和圖6可知，支柱和拉桿的應(yīng)力水平較低，而球體與支柱連接處應(yīng)力水平最高，達(dá)到307.4MPa，但仍滿足球罐的強(qiáng)度要求。對比不包含球罐缺陷的有限元計算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，整體變形、基礎(chǔ)沉降和垂直度變化等缺陷對球罐應(yīng)力有一定影響，但仍小于球罐的許用應(yīng)力，球罐可繼續(xù)正常使用。

表3 不帶缺陷球罐應(yīng)力校核結(jié)果

表4 帶缺陷球罐應(yīng)力校核結(jié)果

4 球罐缺陷的容限分析

由于球罐正值服役“壯年”，后續(xù)還有三十余年的服役期，故球罐缺陷的發(fā)展趨勢對球罐應(yīng)力安全具有重要參考價值，因此對球罐缺陷的容限評估是非常有必要的。容限分析主要考察球罐中心與支柱擬合中心的偏差、支柱垂直度的變化以及支柱沉降三個因素對球罐的影響。由于這三類缺陷是采用高程掃描儀逐層掃描得到的，故容限分析的自變量太多，且每一個自變量之間都存在一定的聯(lián)系，并非完全獨(dú)立的。因為支柱的垂直度變化存在一定的隨機(jī)性，尤以支柱垂直度的容限分析最難[16]。球罐的容限分析沒有唯一解，且全模擬存在一定的困難，故必須提出一定的模型簡化手段。因此，我們假設(shè)球罐的變化是以現(xiàn)有球罐測量值等比例變化的，等比例變化系數(shù)為K。并以此提出三個變量參數(shù)，罐體中心坐標(biāo)與支柱擬合罐體中心坐標(biāo)放大系數(shù)K1、支柱垂直度變化放大系數(shù)K2及支柱沉降放大系數(shù)K3，分別以這三個參變量做容限分析并分析其結(jié)果，首先分別討論K1、K2、K3三個參數(shù)對球罐的應(yīng)力的影響，然后討論K1、K2、K3三個參數(shù)等比例放大對球罐的影響，球罐缺陷影響如圖7所示：

圖7 球罐缺陷系數(shù)與球罐最大應(yīng)力的關(guān)系

通過圖7可知，支柱垂直度變化K2對球罐的應(yīng)力影響最大，球罐中心與支柱擬合中心K1次之，而支柱整體沉降對球罐的應(yīng)力影響最小。將球罐變形容限分析參數(shù)K值放在同一比尺下對比，進(jìn)一步比較球罐應(yīng)力與各容限參數(shù)關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，在球罐整體變形允許的范圍內(nèi)，球殼與支柱擬合中心坐標(biāo)差值和支柱沉降量對球罐的整體應(yīng)力影響較小。而支柱垂直度變化對球罐整體應(yīng)力影響很大。單獨(dú)考慮支柱垂直度變化曲線K2和考慮球罐整體結(jié)構(gòu)變化的曲線K1=K2=K3趨勢相同，但K2曲線比K1=K2=K3曲線高，說明球罐的整體變形與球殼中心變化、支柱垂直度變形、支柱沉降之間并不是線性疊加的關(guān)系，需綜合考慮各因素的影響。

5 結(jié)論

（1）支柱垂直度變化對球罐應(yīng)力影響最大，球罐中心與支柱擬合中心偏差次之，支柱整體沉降對球罐應(yīng)力影響最小。

（2）在現(xiàn)有缺陷下，該球罐仍處于應(yīng)力安全范圍內(nèi)，如球罐缺陷仍然按此缺陷繼續(xù)等比例發(fā)展，最多能承受現(xiàn)有缺陷值的兩倍。

（3）支柱沉降之間、支柱垂直度變形和球罐中心與支柱擬合中心偏差對球罐的應(yīng)力影響并不是線性疊加的關(guān)系，而是各缺陷綜合作用下的結(jié)果。

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