基于有限元和三維激光掃描技術(shù)的儲(chǔ)罐變形檢測(cè)與評(píng)估

石 磊，奚 旺，趙亞通，單 克

(1.中國(guó)石化大連石油化工研究院，遼寧大連 116045 2. 深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司，廣東深圳 518049)

儲(chǔ)罐系統(tǒng)負(fù)責(zé)油品的接收、存儲(chǔ)、裝車或裝船，以及油罐之間倒罐。隨著石化行業(yè)的發(fā)展，儲(chǔ)罐向著大型化，集群化迅猛發(fā)展。與戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備油罐相比，煉廠、中轉(zhuǎn)油庫(kù)的油罐輸轉(zhuǎn)作業(yè)頻繁，其安全運(yùn)行直接關(guān)系到燃料的穩(wěn)定供應(yīng)[1]。一旦發(fā)生泄漏、沉盤、破裂等事故，將可能造成巨大的人身傷亡和環(huán)境破壞[2]。由于寒冷氣候、油污、雜質(zhì)和積灰堆積等原因，儲(chǔ)罐呼吸閥在長(zhǎng)期使用中難免會(huì)出現(xiàn)卡死、堵塞、通氣量不足等故障，導(dǎo)致罐內(nèi)氣壓的變化。石油儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力較低、穩(wěn)定性較差，罐壁、罐頂、罐底均較薄，在使用過程中在初始缺陷與罐內(nèi)負(fù)壓多因素作用下，會(huì)發(fā)生抽癟變形[3-4]。

儲(chǔ)罐變形原因分析和修復(fù)方式大多依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，很少進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的變形過程模擬[5，6]?，F(xiàn)有的儲(chǔ)罐變形檢測(cè)主要針對(duì)外觀質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)其完整的變形情況往往無(wú)法準(zhǔn)確、高效地獲取。常用的罐壁變形測(cè)量方法包括圍尺法、光學(xué)參比線法和內(nèi)光電測(cè)距法，這些傳統(tǒng)測(cè)量方法中操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作危險(xiǎn)、測(cè)量效率低、誤差較大[7-10]。針對(duì)某儲(chǔ)罐的顯著變形問題，采用有限元分析方法進(jìn)行工況模擬，分析儲(chǔ)罐凹癟變形原因及應(yīng)力水平，為罐體變形的修復(fù)提供技術(shù)支撐，采用基于三維激光掃描技術(shù)對(duì)油罐進(jìn)行檢測(cè)及變形評(píng)估，為儲(chǔ)罐的安全平穩(wěn)運(yùn)行提供參考。

1 儲(chǔ)罐概況

某油庫(kù)在例行倒油作業(yè)時(shí)，由于當(dāng)?shù)貝毫犹鞖庠蛑率褂凸薰揄敽粑y結(jié)冰堵塞，使得油罐內(nèi)部形成負(fù)壓，造成油罐外壁大面積凹陷變形。油罐根據(jù)GB50341-2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)為球形固定弱頂立式油罐，內(nèi)徑11.99 m，高度8.75 m，底板厚度8 mm，球頂板厚度5 mm。罐壁由6層壁板焊接而成，在每層壁板選取6個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行超聲測(cè)厚，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 壁板厚度(自下而上)測(cè)量結(jié)果 mm

罐體變形沿儲(chǔ)罐環(huán)向分為5個(gè)區(qū)域，變形中心的高度基本都在距底板高5.2 m處，儲(chǔ)罐高度方向的變形大于儲(chǔ)罐圓周方向的變形，局部變形深度35～45 cm，如圖1所示。

圖1 罐壁變形示意

2 變形儲(chǔ)罐的有限元評(píng)價(jià)

采用ANSYS軟件建立儲(chǔ)罐三維有限元全模型，壁板、底板采用4節(jié)點(diǎn)殼單元。罐壁底端全約束，頂端約束徑向、切向位移，以及沿切向轉(zhuǎn)角。運(yùn)行載荷包括罐體及罐頂自重，根據(jù)圖1儲(chǔ)罐因內(nèi)部形成負(fù)壓的變形情況，假設(shè)罐內(nèi)為真空的最不利條件，在罐外施加1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的外壓。罐體材料為普通碳鋼Q215A，經(jīng)測(cè)試，屈服強(qiáng)度220 MPa，抗拉強(qiáng)度400 MPa，鋼材彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比0.3，鋼材密度7 850 kg/m3。

應(yīng)力及變形計(jì)算結(jié)果如圖2所示，最大等效應(yīng)力116 MPa，徑向最大變形3.5 mm，發(fā)生在罐頂或罐底?？梢姡硐肭闆r下，內(nèi)部真空儲(chǔ)罐的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度220 MPa。因此，從強(qiáng)度而言，單一真空條件無(wú)法使儲(chǔ)罐發(fā)生凹癟變形，儲(chǔ)罐變形應(yīng)屬于穩(wěn)定性問題。

圖2 儲(chǔ)罐強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

屈曲分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷，屈曲分析包括線性屈曲和非線性屈曲分析。線性屈曲分析又稱特征值屈曲分析，非線性屈曲分析包括幾何非線性失穩(wěn)分析、彈塑性失穩(wěn)分析、非線性后屈曲分析。對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行特征值屈曲分析，可獲得儲(chǔ)罐理想屈曲強(qiáng)度及屈曲模態(tài)，結(jié)果見圖3，屈曲模式為菱形屈曲，與儲(chǔ)罐的實(shí)際變形模態(tài)相吻合，臨界屈曲載荷為0.004 MPa。

圖3 線性屈曲

特征值屈曲分析適用于對(duì)一個(gè)理想彈性結(jié)構(gòu)的理想屈曲強(qiáng)度(歧點(diǎn))進(jìn)行預(yù)測(cè)，但是無(wú)法獲得后屈曲模態(tài)[11,12]。為獲得屈曲后儲(chǔ)罐的應(yīng)力及變形，需采用非線性屈曲分析法進(jìn)行計(jì)算，屈曲模式為菱形屈曲，如圖4所示，臨界屈曲載荷為0.004 MPa，與特征值屈曲計(jì)算結(jié)果吻合，證明了儲(chǔ)罐在真空狀態(tài)下的凹癟變形并非強(qiáng)度問題，而屬于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。臨界屈曲狀態(tài)下，儲(chǔ)罐應(yīng)力最大為9.5 MPa，最大變形為2 mm。結(jié)構(gòu)一旦失穩(wěn)后，屈曲模態(tài)如圖5所示，儲(chǔ)罐最大應(yīng)力60 MPa，最大變形為20 mm。由此可判定，儲(chǔ)罐凹癟變形為彈性屈曲?，F(xiàn)場(chǎng)采用對(duì)變形儲(chǔ)罐進(jìn)行注水的方法進(jìn)行修復(fù)，注水后，變形回彈，幾乎恢復(fù)原狀，證實(shí)了有限元分析中儲(chǔ)罐變形為彈性屈曲的準(zhǔn)確性。

圖4 非線性屈曲-臨界狀態(tài)

圖5 非線性屈曲-后屈曲狀態(tài)

按照儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的最高液位(8 m)，對(duì)變形修復(fù)后的儲(chǔ)罐進(jìn)行安全評(píng)定。液體靜壓力從液面到罐底成三角形線性分布[13]，從上到下逐漸增大，以均布載荷的方式加到罐壁板和底板，其表達(dá)式如下：

p=rg(H-z)

(1)

式中:p——靜水壓力，Pa；

r——儲(chǔ)液密度，kg/m3；

g——重力加速度，N/kg；

H——儲(chǔ)罐內(nèi)液體的高度，m；

z——距離罐底板的軸向距離，m。

有限元計(jì)算結(jié)果如圖6所示，等效應(yīng)力最大值為50 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度220 MPa，因此，從強(qiáng)度而言，儲(chǔ)罐在8 m液位下屬于安全運(yùn)行。

圖6 滿液位下儲(chǔ)罐等效應(yīng)力

3 基于三維激光掃描的罐體變形檢測(cè)及評(píng)估

三維激光掃描能獲取地表實(shí)物表面的三維坐標(biāo)，通過數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算處理和加工實(shí)現(xiàn)曲面和模型重建[14-16]。對(duì)變形儲(chǔ)罐進(jìn)行注水修復(fù)后，采用Trimble TX8三維激光掃描儀進(jìn)行儲(chǔ)罐變形外檢測(cè)，獲得圖7所示的罐體三維特征。

圖7 變形修復(fù)后的油罐

將進(jìn)油口中心位置指定為0度，逆時(shí)針等間隔設(shè)置48個(gè)點(diǎn)，對(duì)每個(gè)位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行擬合，并計(jì)算出相應(yīng)的偏差，如表2和表3所示。計(jì)算不同高度的水平截面圓柱度時(shí)，取半徑偏差最大值作為目標(biāo)截面的圓柱度。

表2 罐體垂直度

表3 罐體圓柱度

根據(jù)API 653，罐壁垂直度的允許偏差，不宜大于罐壁高度的1%，且不大于127 mm，評(píng)估儲(chǔ)罐的最大垂直度為49.9 mm，未超標(biāo)。在底圈罐壁0.3 m高度處，內(nèi)表面任意點(diǎn)測(cè)得的半徑偏差不超過19 mm，在底圈0.3 m高度處以上測(cè)得的半徑偏差不超過57 mm，評(píng)估儲(chǔ)罐的最大橢圓度為35.3 mm，未超標(biāo)。

4 結(jié)論與建議

儲(chǔ)油罐作為石化行業(yè)重要的存儲(chǔ)設(shè)備，其安全問題不容忽視。采用有限元及三維激光掃描技術(shù)對(duì)某凹癟變形儲(chǔ)罐進(jìn)行評(píng)估，結(jié)論如下：

a) 采用有限元分析對(duì)儲(chǔ)罐的變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，從強(qiáng)度而言，單一真空條件無(wú)法使儲(chǔ)罐發(fā)生凹癟變形，儲(chǔ)罐變形應(yīng)屬于穩(wěn)定性問題。特征值屈曲分析表明，儲(chǔ)罐屈曲模式為菱形屈曲，臨界屈曲載荷為0.004 MPa；非線性屈曲分析表明，臨界屈曲狀態(tài)下儲(chǔ)罐等效應(yīng)力最大為9.5 MPa，后屈曲中儲(chǔ)罐最大等效應(yīng)力為60 MPa，由此可判定，儲(chǔ)罐凹癟變形為彈性屈曲。數(shù)值模擬中儲(chǔ)罐的屈曲模態(tài)與實(shí)際變形相吻合。

b) 現(xiàn)場(chǎng)采用對(duì)變形儲(chǔ)罐進(jìn)行注水的方法進(jìn)行修復(fù)，注水后，變形回彈，幾乎恢復(fù)原狀，證實(shí)了有限元分析中儲(chǔ)罐變形為彈性屈曲的準(zhǔn)確性。

c) 對(duì)變形儲(chǔ)罐進(jìn)行修復(fù)后，采用三維激光掃描技術(shù)實(shí)施罐體變形檢測(cè)及評(píng)估，采用有限元分析方法評(píng)估儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行液位，結(jié)果表明，儲(chǔ)罐的垂直度和圓柱度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，在最高設(shè)計(jì)液位下儲(chǔ)罐的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，可安全運(yùn)行。