储罐不均匀沉降底板腐蚀声发射特性模拟试验

(东北石油大学 机械科学与工程学院， 大庆 163318)

大型钢制储罐因具有薄壁、耐高压和良好的密闭性等特性，而广泛应用于石油石化行业中[1]。由于大型储罐大多建造在沿海等比较松软的土地上，地基的不稳定易使储罐发生不同程度的沉降。这种不均匀沉降会影响储罐的正常运行，严重时会带来重大的安全隐患[2-4]。储罐在不均匀沉降过程中，罐底板与罐壁板会发生相应的应力集中和径向位移变化，从而使罐底板产生扭曲以及罐壁板产生内凹或外凸的现象，也会使罐底板与罐壁板的焊缝处发生撕裂[5-6]。MALIK[7]提出使用傅里叶谐波法对储罐的不均匀沉降进行模拟。JONAIDI等[8-9]对不同类型的大型钢制浮顶型储罐进行了线性的静力学研究。

浙江大学空间结构研究中心分析了不同类型钢储罐在罐周不均匀沉降下的结构响应，并且指出目前的沉降控制标准不合理，应该充分考虑地基变形对储罐结构的影响[10]。在储罐检测方面，东北石油大学李伟、戴光等[11]利用声发射技术对储罐底板状态进行在线检测，取得了一定的研究结果。大量研究表明，储罐发生不均匀沉降后会加速罐底板的腐蚀。因此加强对储罐不均匀沉降和储罐底板腐蚀情况的检测，对维护储罐的安全运行有非常重要的作用。

笔者针对储罐不均匀沉降条件下底板的受力状态和腐蚀速率变化进行数值模拟和试验研究，结合声发射技术研究不同应力条件下底板腐蚀速率与声发射特征之间的对应关系，并利用均方差得到对于不均匀应力腐蚀最为敏感的声发射参量，以为相应条件下声发射在线监测提供技术依据。

图1 不同沉降面积的储罐应力分布图

1 储罐不均匀沉降数值模拟

应用ABAQUS有限元软件进行储罐不均匀沉降应力状态数值模拟，分析在不同沉降面积的条件下，储罐罐底板与罐壁板的应力变化以及应力集中部位。笔者选择30°，45°，60°扇形等3个不同沉降面积进行储罐有限元数值模拟分析(见图1)，液位为满液位状态。

从图1可看出当满液位时，沉降面积为30°扇形面积的罐壁最大MISES应力(米塞斯应力)主要分布在底部靠近焊缝处，且罐底边缘板部分的应力明显大于中部未发生沉降部位的。沉降面积为45°扇形面积的罐壁板最大应力位置与30°的类似，只是分布范围有所增大，边缘板应力也呈现增大趋势；沉降面积为60°扇形面积的罐壁板的最大应力分布区域较大，但最大应力值为1.478 MPa，较之前的应力值减小。由此可以看出，受不均匀沉降影响，罐底边缘板和罐壁处均会出现应力增大趋势，且主要分布位置集中于罐壁与罐底交界处以及边缘板附近。

2 不均匀沉降时的应力与腐蚀速率试验

针对数值模拟结果，储罐在出现不均匀沉降情况下，罐底边缘板处会呈现不均匀的分布状态，由于储罐中的原油等液体介质多具有腐蚀性，且研究表明，不均匀应力往往会加速腐蚀的发展。因此为了得到在不均匀应力状态下储罐底板的腐蚀变化情况，试验以常用的Q235材料立式储罐为试件，设计受力模拟结构，并在其中放入腐蚀液，以研究试件在不同浓度的酸性介质腐蚀条件下应力变化与腐蚀速率之间的对应关系，得到腐蚀速率随试件应力变化的演化趋势。分别用质量分数为2%，4%，6%，8%的酸性介质进行应力变化与腐蚀速率变化试验。同时为了得到应力及应变变化，在每个试件上布置两个光栅光纤应变传感器。

试验装置示意如图2所示：试件放置在螺旋下压装置和试件板支撑装置之间。采用积分法建立试件弯曲变形与不均匀应力之间的关系。试验系统实物图片见图3。

图2 试验装置示意

图3 应力变化与腐蚀速率变化试验系统实物

图4 介质浓度为2%时，试件应变-腐蚀速率的关系曲线

图5 介质浓度为4%时，试件应变-腐蚀速率的关系曲线

图6 介质浓度为6%时，试件应变-腐蚀速率的关系曲线

图7 介质浓度为8%时，试件应变-腐蚀速率的关系曲线

2.1 试验结果分析

不同浓度介质时，试件的应变-腐蚀速率的关系曲线如图47所示(图中浓度均为质量分数，下同)，从图中可以看出，随着螺旋下压装置向下位移(应力变大)的不断变化，试件应变在逐渐增大，此时腐蚀速率也呈现增大趋势，但增长率有所减小。当向下位移增加到16 mm以后，试件所受应变有所减小并趋于平缓，判断此时试件发生了塑性变形，而相应腐蚀速率也处于下降趋势。而不同介质浓度下，腐蚀速率随着介质浓度的增大呈现增大趋势。由此可以看出，应力的变化与腐蚀速率的变化存在正相关的关系。

2.2 不均匀应力下腐蚀速率与声发射特性分析

在腐蚀试验的过程中，利用美国物理声学公司的PCI-8声发射监测系统对整个腐蚀速率变化过程进行动态监测，传感器选用DP3I低频传感器，监测频率为20 kHz100 kHz，在装置外侧两面均布4个传感器，试验装置实物如图8所示。

图8 声发射监测试验装置实物

不同浓度介质时，试件的声发射参数变化曲线如图912所示(图中ASL表示有效值电压，单位V；幅值单位为dB;计数和能量无量纲)。

由图912可以看出，在不同腐蚀介质浓度下，随着螺旋下压装置向下位移的增加，相应浓度腐蚀介质条件下声发射的相关参量也随之发生变化。声发射特征参量撞击数增大趋势明显，幅值、能量变化幅度较小，幅值在5070之间浮动，声发射计数和能量值变化浮动较小，用于表征腐蚀速率随不均匀沉降的变化规律的效果较差；观察不同浓度条件下的声发射参量数值可以发现，当腐蚀介质质量分数变为4%时，撞击数相较于2%质量分数时有所增大(由24增加到42)，且随着质量分数的继续增大而增大，这说明腐蚀速率的增大会使得声源信号明显增多，而声源信号的增多在声发射检测中更加明显地体现在了撞击数的经历变化上。

图13 声发射参量与腐蚀速率的方差值图

图9 介质浓度为2%时，试件声发射参数变化曲线

图10 介质浓度为4%时，试件声发射参数变化曲线

图11 介质浓度为6%时，试件声发射参数变化曲线

图12 介质浓度为8%时，试件声发射参数变化曲线

为了进一步研究声发射不同参量与腐蚀速率的关联关系，将4种不同腐蚀介质浓度下的声发射参量的撞击数、幅值、计数、能量、ASL值以及腐蚀速率求平均值并取方差，计算出不同浓度与下压装置不同向下位移下声发射参量与腐蚀速率的均方根差值，如式(1)所示。

(1)

式中：x为声发射参量或腐蚀速率；为声发射参量或腐蚀速率的平均值；n表示数量。

声发射参量的方差值如图13所示。由图13(a)可以看出，在撞击数的均方根差值图中，随着向下位移的增大，方差不断增大，说明不均匀应力的大小对声发射撞击数的变化会产生重要的影响，同时随着浓度的升高，撞击数的差值增大，说明腐蚀速率的增大也会对撞击数产生重要影响。由图13(c)(f)可以看出，随着下压装置向下位移的变化以及腐蚀介质浓度的增加，幅值、计数、能量和ASL的方差变化幅度较小，这说明不均匀应力状态下的声源信号种类较为单一，基本声源都属于同类声源，对于同类声源利用幅值、能量等参数来分析演化规律的效果较差，由此在不均匀应力条件下进行声发射检测可以选择撞击数作为分析的主要参量，通过其时间经历变化情况来分析储罐相应时刻的腐蚀状态。

3 结论

(1) 随着不均匀沉降面积的增加，罐底板与罐壁板的应力集中区域会出现在储罐罐壁与底板交接部位以及储罐沉降位置附近的边缘板部位。

(2) 当应力恒定时，随着腐蚀介质浓度的增加，试件的腐蚀速率增大，且应力越大，试件的腐蚀速率越大。

(3) 当应力恒定时，随着腐蚀介质浓度的增大，声发射参数特征参量也随之增加；当腐蚀介质浓度恒定时，试件的腐蚀速率随着应力的增大而增大，声发射参数的撞击数也随之增大，当试件的应力较大时，试件腐蚀速率的变化率要比应力较小时的变化率大，撞击数的变化率也较大，进一步验证了用撞击数来判定不均匀沉降状态下储罐底板腐蚀情况的有效性。