基础沉降发展对球罐结构影响的分析研究

王 凯，刘文才，关国伟

（中国石油集团安全环保技术研究院有限公司，北京 102206）

球形储罐（简称球罐）是一种钢制容器，在石油化工行业中被广泛用于储存液态或气态物料。与立式圆筒形储罐相比，在体积相同的情况下，球罐的表面积小、钢材用量少；在直径相同的情况下，球罐壳体内力小、受力均匀且承载能力强。随着生产的需要，球罐大型化发展给球罐的设计、制造和安装提出了更高要求。基础沉降是工程建设中不可忽视的问题［1-2］，尤其对大型球罐，其每个支柱下面都是独立基础，基础不均匀沉降现象更容易出现，因此研究基础沉降对球罐壳体及支柱的影响是十分必要的［3-15］。

文中以某炼油化工厂2 000 m3的储液球罐为例，针对球罐在一个方向由单点沉降到三点沉降、再逐渐发展至整体倾斜过程，分析球罐各组成部分的应力变化规律，以期为球罐的设计及以安全监测提供技术支持。

1 球罐基础沉降方式

在一般情况下，根据地层和地基处理的情况难以预测独立基础发生沉降的情况。球罐基础不均匀沉降主要分为单点沉降、中间沉降、两端沉降和整体倾斜4种形式［16］，见图1。基础沉降相当于给球罐结构施加了位移荷载，会对球罐的支柱、球壳、支柱与球壳连接的托板的应力变化造成较大的影响。

图1 球罐基础不均匀沉降方式

单点沉降是由于地基处理不当，在某局部区域造成只有1根支柱产生了沉降位移。中间沉降和两端沉降，是在基础沉降计算深度范围内，因各点土层分布差异较大，各土层的压缩模量不尽相同［17-18］，或地基处理质量问题产生的中间高、两端低或中间低、两端高的不均匀沉降现象。整体倾斜是结构基础建在倾斜地层上，随着可压缩土层厚度的变化，基础沉降沿着某一方向递增，导致上部结构倾斜。整体倾斜一般是由单点沉降开始，造成各独立基础基底的附加应力不均匀［17-18］，随着时间的推移逐渐发展形成的。

2 球罐基础沉降有限元分析

2.1 有限元建模

某炼油化工厂2 000 m3储液球罐的设计压力为1.78 MPa，球壳内直径15 700 mm，壳体壁厚 44 mm，壳体材料为Q370R。上支柱为U型托板，采用Q345R钢板卷制而成。下支柱为由Q345R钢制作而成的φ560 mm×10 mm钢管，总共10根。斜撑拉杆为φ50 mm的圆钢，共20根。

利用ANSYS有限元软件建立球罐有限元模型，球壳及其他板类构件采用SHELL93单元，支柱采用PIPE16单元，拉杆采用LINK8单元。球罐与上支柱托板的连接部位结构复杂，网格划分时进行加密处理，最后的网格数为17 336、节点数为17 404。球罐整体有限元模型见图2。

图2 2 000 m3球罐整体有限元模型

2.2 载荷计算

球罐建造完成后需对其进行耐压试验，水压试验压力为2.25 MPa（大于设计压力和气密性试验压力1.78 MPa），水压试验的同时要进行基础沉降监测。文中对最不利工况，即水压试验工况进行分析。水压试验时，球壳内表面承受的压力包括试验压力和由液体产生的压力，压力pi随液面高度 yi线性变化［19］：

对每个支柱底板施加转角约束和位移约束，考虑基础沉降影响，对球罐按一个方向由单点沉降到三点沉降、再逐渐发展至整体倾斜施加载荷。GB 12337—1998《钢制球形储罐》［20］中规定，放液后基础沉降差不得大于Db/1 000（Db为基础中心圆直径），相邻支柱基础沉降差不大于2 mm。本球罐的 Db=15 700 mm，根据文献［20］要求，基础沉降差不得大于15.7 mm，相邻支柱基础沉降差不得大于2 mm。因此对每个支柱底板施加了不同的位移载荷。

球罐支柱编号见图3，每个支柱底板施加的位移载荷见表1。表1中工况0P表示无沉降或均匀沉降，9P表示整体倾斜，0P～9P代表从均匀沉降发展到整体倾斜的载荷工况。

图3 球罐支柱编号

表1 球罐支柱底板施加的位移载荷 mm

2.3 应力计算结果

2.3.1 球壳及托板应力

对球壳及托板均采用的是壳单元建模，球壳和托板连接部位属于应力集中区域［21］。基础整体倾斜时球壳的Von Mises等效应力分布云图见图4。从图4可见，应力较大区域主要在球壳与上支柱托板连接部位，离开此区域的应力逐渐减小至球壳的薄膜应力。整个连接部位中，U型托板与球壳连接处应力较小，下支柱顶的连接板与球壳、托板连接处应力最大。

图4 基础整体倾斜时球壳Von Mises等效应力分布云图

球壳及托板最大应力随沉降发展变化曲线见图5，应力最大值及位置见表2。

图5 球壳及托板最大应力随沉降发展变化曲线

由图5和表2可以看出，基础发生不均匀沉降之后，球壳的最大应力有增大趋势，由于相邻基础的沉降差控制在2 mm，因此球壳应力的增幅并不大，在3.2%以内。随着基础由单点沉降（工况1P）逐渐发展至整体倾斜（工况9P），球罐最大应力的位置随之变化，分别位于距离有沉降支柱最近的无沉降支柱对应的球壳部位。托板的最大应力数值变化不大，只是随着沉降的发展，最大应力的位置发生变化。

表2 球壳及托板应力最大值及位置

2.3.2 支撑结构强度

球罐的支撑结构由支柱和斜撑组成，10根支柱在球壳赤道线均匀直立分布于基础上，每相邻的2根支柱间有2根斜撑。支柱主要用于支撑球罐自身、球罐中介质及附件的质量，因此承受的是垂直压缩载荷［9］，斜撑主要承受轴向载荷。球罐支撑结构应力最大值及位置见表3，表3中斜撑最大应力位置编号是杆件单元号。由于位移载荷是以1#和6#支柱连线呈对称形式施加，因此只绘出1#～6#支柱的最大应力变化曲线，见图6。

表3 球罐支撑结构应力最大值及位置

由表3所列的数据可知，出现基础沉降后，支柱和斜撑的应力都有增大趋势，增幅分别在8.6%和13%以内。结合图6的关系曲线可见，随着基础沉降由单点沉降逐渐发展至整体倾斜，支柱的最大应力增值并不明显，只是最大应力出现位置被传递到新发生沉降支柱两侧的支柱上，且各支柱的应力值并没有随着沉降的发展而逐渐增大。从图6中竖向观察各沉降工况对应的每根支柱最大应力发现，0P工况下各基础均匀沉降，各支柱最大应力分布均匀。3P工况下各支柱最大应力较分散，不均匀程度最大，5P工况次之。整体倾斜时最大应力不均匀程度有所减轻，但大于均匀沉降的情况。

图6 球罐1#～6#支柱最大应力随沉降发展变化曲线

从表3还可以看出，斜撑仅在1P工况下刚发生局部沉降时出现较大的应力增值，随着基础沉降的继续发展，斜撑的最大应力并未呈正相关的变化，且出现最大应力的杆件也没有变化，一直是发生最大沉降的1#支柱的上部节点与相邻2根支柱的下部节点相连的2根斜撑。

3 结语

根据对球罐各部分结构的应力分析，得出如下结论，①根据文献［20］要求将相邻基础沉降差控制在2 mm，与均匀沉降或不发生沉降对比，球罐不同部位的结构应力均有不同幅度的增加。在刚出现单点沉降时，由于其余未发生位移的部分结构刚度最大，对斜撑的约束最大，所以斜撑内力变化最大，达到13%。可见基础不均匀沉降对球罐支撑结构的影响非常敏感，严重影响球罐的安全运行。②相邻基础沉降差不变，沉降变化从单点沉降逐渐发展至整体倾斜，球罐结构的应力变化不大，只是在结构内部进行了多次内力重分布。沉降发展使相邻支柱间的相互约束力发生不同程度的变化。可以推断的是应力最大值受相邻基础沉降差的影响较明显，有待后续进行大量的参数化结构分析验证。③发生沉降的支柱应力减小，其旁边未发生沉降的支柱最大应力会突然增大，可见位移越大的支柱的结构应力越小，载荷会更多地分配到位移较小的结构上。

文中仅针对基础沉降在一个方向发展进行结构强度分析并不全面，基础沉降的发展随时间的推移是不确定的，应该进行多种沉降假设的参数化分析，以获得更为准确的规律，为球罐结构设计和安全监测提供有效支撑。