原油储罐有缺陷状态下结构稳定性的研究

张翀宇

（台州市特种设备监督检验中心，浙江台州318000）

原油储罐有缺陷状态下结构稳定性的研究

张翀宇

（台州市特种设备监督检验中心，浙江台州318000）

针对不同液高原油储罐的运行状况进行了风致屈曲研究，分析其临界风速状况和屈曲模态变化，重点对存在缺陷储罐的抗风载荷能力进行了详细分析。

原油储罐；风致屈曲；弧长法；几何缺陷

随着世界能源战略储备的升级，原油储罐结构呈现大型化发展趋势，它的安全性能变得越来越重要。油罐大型化导致油罐罐壁和罐底的应力分布情况变得非常复杂，特别是油罐罐底部区域的应力情况（油罐罐底区域包括罐底边缘板、底圈壁板以及连接罐底边缘板和底圈壁板的大角焊缝）。罐底区域是油罐受力最大的部位，也是最容易出现事故的部位，因此储罐的风致屈曲行为应当引起工程设计人员的足够的重视[1]。绝大多数情况下，油罐运行都处于满液负荷的状态，并且由焊缝引起的缺陷主要有以下两点：一是焊接本身造成的几何缺陷；二是焊接后引起的残余应力[2，3]。这些缺陷导致油罐抗风载荷能力的下降。本文研究油液以及缺陷状态下油罐的风致屈曲特性。

1 研究方法

本文的分析在ABAQUS软件中进行，计算采用弧长法来分析高度非线性的屈曲失稳问题。弧长法最基本的控制方程为：

式中，△l为固定的半径，P为外部作用力，△λ为载荷因子增量数值，ψ为载荷比例系数，△δ用于控制弧长中载荷因子增量所占的比重。

2 对不同液高储罐风致屈曲研究

2.1 有液状态下储罐有限元模型的建立

本文研究有液状态下油罐的风致屈曲响应特性。假设流体为理想流体，忽略地基沉降作用，并假设储罐的液面在屈曲过程中不会发生高度上的变化。有限元模型基于标准10 000 m3储罐，半径为15.29 m，高度为12.3 m，厚度为1.2 cm.用Sa单元对模型进行分析，同时当施加边界条件时，模型两条直边在R1，U1，U2方向上进行约束以保证其二分之一模型的有效性。图1图2所示。

图1 10000 m3石油储罐的有限元模型

图2 10000 m3储罐的临界屈曲位移云图

2.2 不同液高状况下储罐风致屈曲

为了更加真实地计算储罐在常态下的风致屈曲特性，从5个液面高度取值以便更好的追踪其屈曲路径，如表1所示。通过计算机模拟进行临界风载荷和屈曲模态，并进行结果比较。

表1 计算采用的液高与液高/罐高

（1）储罐的屈曲路径大不相同。1）当液高/罐高≤1/2时，临界屈曲发生在周向展开角10℃左右的罐体顶部位置（如图3所示，以液高/罐高=1/6时为例））；2）当液高/罐高＞1/2时（包括满液状态）临界屈曲则发生在周向展开角为65℃的罐体底部位置（如图4所示，以液高/罐高=2/3时为例）；3）当液高较低时，罐底承受的向外液压也较小，所以造成临界屈曲在靠近子午线位置；4）当液高比较高时，罐底承受的向外液压变得较大，试验表明只有靠近子午线位置所承受的风力为压应力，而距离子午线较远位置所承受的风力是拉应力，尤其当周向展开角为65℃时，承受拉应力是最大值，造成临界屈曲在远离子午线的位置。

图3 液高/罐高=1/6时的临界屈曲位移云图

图4 液高/罐高=2/3时的临界屈曲位移云图

（2）通过LPF曲线可以得到临界风压与液面高度的关系（如图5所示）。通过比较可以得知，随着液高逐渐增大时，临界风压随着也不断增大，但是增长的幅度则是在罐体趋于空罐或满液时候非常大，其他时候增幅相对较小。

图5 临界风压与液面高度的关系曲线

（3）通过临界风压计算可以得到所对应的临界风速（如图6所示）。通过对比得到如下结果：临界风速和液高的逐渐增大成正比。当液高/罐高≤1/6时，其临界风速大于61.8m/s，这种环境下所承受的外压较低，罐子在抗风载能力范围因此相对安全的。而当液高/罐高＞1/6时，其临界风速小于61.8 m/s，此时所承受的外压较相当于17级风速，必须引起足够的重视。

图6 临界风速随着液面高度的变化曲线

（4）由位移云图可知，当液高/罐高达到一定比值时，底部压力会很大，由于储罐壁厚不够造成储罐发生底部屈曲，比较容易造成储罐倾覆、液体渗出。现在储罐制造工艺下，由于现在设计和制造工艺大多数储罐采用的是变壁厚结构（即底部最厚，然后往上逐渐变薄），使得它底部能承受的压力也更大，所以在现在情况下并不会出现在液面较高时，风载荷下底部发生临界屈曲的情况。

3 存在缺陷时储罐风致屈曲

缺陷值指的是设定储罐的特征值屈曲模态中最大屈曲位移，其余部位的屈曲位移将按照屈曲模态的形状进行等比例换算。通过模拟计算明显地发现，当储罐存在缺陷时，其对应的临界风压为1.39 kPa左右，当储罐无缺陷时其对应临界风压为1.85 kPa左右（减少约20%），而此时临界风速约为44.90 m/s（相当于10级台风）罐子在抗风载能力范围因此相对安全的，如图7所示。

3.1 不同缺陷值下石油储罐的风致屈曲特性

图7 带缺陷储罐的临界屈曲状态位移云图

为了弄清楚当缺陷值不同的时候临界屈曲对风致屈曲的影响，在相同条件下，再取10个不同的缺陷值的储罐，并用弧长法分别计算它们的风致屈曲响应，如表2所示。

表2 计算所采用不同储罐的缺陷值大小

通过计算结果如下：

（1）对储罐来说，由于本身的壳体结构以及风载荷的大小和方向导致临界屈曲点以及后屈曲时位移最大点所在位置大致相同，无论临界屈曲点还是后屈曲时位移最大点，都处在储罐顶端周向展开角为10℃附近。

（2）通过对比不同缺陷值储罐的LPF曲线，得到它们的临界风压值（如图8所示）。

图8 储罐的临界风压随缺陷值的变化曲线

从图中可以看出来，随着缺陷值增大，储罐临界风压逐渐减小，减小的速度呈缓慢趋势。当缺陷值大于5倍厚度时，临界风压将会下降到1 kPa以下。

（3）通过不同缺陷值储罐的临界风压，算出它们的临界风速（如图9所示）。

图9 储罐的临界风速随缺陷值的变化曲线

当缺陷值为10倍厚度时，临界风速则变为32 m/s（相当于十四级台风）。在这种外力的作用下，罐子在抗风载能力超出安全系数的范围，储罐极容易受风力而发生倾覆的风险。对罐体在运行中可能会出现的缺陷值必须采取必要的防范措施。

4 结束语

（1）通过不同液高状态油罐的风致屈曲研究，发现液高的增大与临界风压和临界风速增大成正比，当液高与罐高之比达到一定数值时，由于压力作用使得储罐底部临界屈曲发生较大的变化，可能造成储罐的倾覆危险。

（2）通过对缺陷油罐的研究，对比了不同缺陷值情况下的风致屈曲特性，得出储罐的抗风能力会明显地减弱。因此应该在设计结构、制造工艺和检验检测、日常维护等方面引起重视。

[1]葛颂，陈志平，沈建民，等．立式储液罐象足屈曲的准静态数值模拟[J].压力容器，2006，23（1）：6-9．

[2]朱劲平．大型立式圆柱形储罐“象足”屈曲研究[D]．杭州：浙江大学，2007．

[3]曾明．焊缝对大型油罐“象足”屈曲行为的影响[D]．杭州：浙江大学，2010.

图6 振动盘产品图

3 结束语

本文研究了振动盘内形大螺距锥度螺纹的加工方法，试用了3种方法。从上述3种加工方法的优缺点比较来看，明显采用数控车床加工此振动盘最为有效的加工方法，对于尺寸较大或较小的內形振动盘都能适用，所以这种方法具有一定的应用价值，值得推广。

参考文献：

[1]张国军.金属加工与实训—车工实训[M].北京：高等教育出版社，2010：76-87.

[2]胡育辉.数控铣床加工中心[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2005：14-82.

[3]黄丽芬.数控车床编程与操作[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2007：52-53.

Astract：At present almost all enterprises producing the vibration of the plate is by welding manufacturing method，not only the production efficiency is low，and the feeding accuracy is not high，the feeding process often appear leakage phenomenon.Made vibration plate welding method in order to overcome the shortcomings，from the perspective of enterprise product quality and efficiency，the new method of machining vibration plates are studied，and the process to determine the numerical control lathe machining integral vibration disc shape large taper thread pitch is one of the most effective processing method.

Key words：vibrating plate；numerical control lathe；machining method

Study on the Structural Stability of Crude Oil Tank With Defective Condition

ZHANG Zhong-yu
（Taizhou Special Equipment Supervision and Inspection Center，Taizhou Zhejiang 318000，China）

This paper studies wind-induced buckling according to running status of different liquid storage tank of the plateau，the critical wind speed conditions and buckling mode changes，focus on a detailed analysis of the wind load capacity of defective tank.

crude oil tank；wind-induced buckling；arc length method；geometric imperfections

Vibration Disc Shaped Big Pitch Taper Thread Machining Method

LAN Xian
（Guangdong Vocational College of Industry and Commerce，Zhaoqing Guangdong 526020，China）

TE972

A

1672-545X（2016）11-0161-04

2016-08-16

张翀宇（1974-），男，台州人，本科，高级工程师，主要从事特种设备安全方面的检测和研究。