張繼旺 王建琳 丁克勤 陳 光

(1．中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

(2．中國(guó)石油天然氣股份有限公司西藏銷售分公司 拉薩 850000）

大型和超大型石油儲(chǔ)罐是國(guó)家戰(zhàn)略能源的“心臟”，一旦發(fā)生失效泄漏將導(dǎo)致災(zāi)難性后果[1-3]。在儲(chǔ)罐的失效案例中，不均勻沉降和地震是2 個(gè)典型的致因因素[4-6]，對(duì)這2 種因素下的儲(chǔ)罐罐體主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和理論研究意義[7-9]，也是設(shè)計(jì)建造的理論基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[10-11]指出日本超大型浮頂油罐中采用的主體材料為日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JSIG3115《壓力容器用鋼板》[12]中的SPV49OQ，這種材料為調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨，屈服強(qiáng)度要求不低于490 MPa，拉伸強(qiáng)度為610 ～740 MPa。文獻(xiàn)[13]指出對(duì)油罐用鋼限制屈強(qiáng)比來(lái)自API 650《Welded Steel Tanks for Oil Storage》[14]中選用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的材料時(shí)，要求鋼板的屈強(qiáng)比不大于0.75。設(shè)計(jì)者在初期使用12MnNIVR時(shí)，限制底層圈板，第2 層圈板和罐底邊緣板的實(shí)物屈強(qiáng)比不大于0.9，主要考慮這3 個(gè)部位受力較其他部位要大很多。當(dāng)局部達(dá)到屈服時(shí)，擔(dān)心其會(huì)很快斷裂，發(fā)生強(qiáng)度破壞，出現(xiàn)災(zāi)難性事故。劉小文等[15]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，大角焊縫附近的彎曲應(yīng)力高達(dá)729.8 MPa，此值是許用應(yīng)力261 MPa 的2.8 倍。受計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展的限制，過去多采用組合圓柱殼法對(duì)罐壁應(yīng)力進(jìn)行理論計(jì)算，對(duì)不均勻沉降和地震力作用下的罐體應(yīng)力精確計(jì)算較為困難。隨著科技進(jìn)步，現(xiàn)在采用實(shí)體單元及精細(xì)單元?jiǎng)澐謱?duì)大型和超大型浮頂油罐及回填土夯實(shí)基礎(chǔ)整體進(jìn)行有限元分析得以實(shí)現(xiàn)，克服了板殼單元有限元應(yīng)力分析的剪切閉鎖等缺點(diǎn)，可以提高應(yīng)力分析的精度和可靠性?；诖?，本文以某5×104m3大型浮頂儲(chǔ)罐為例，開展了大型儲(chǔ)罐在不均勻沉降、地震力及兩因素耦合作用下的罐體力學(xué)響應(yīng)分析，為儲(chǔ)罐運(yùn)維和設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 大型儲(chǔ)罐模型建立及有限元網(wǎng)格劃分

以某5×104m3大型浮頂儲(chǔ)罐的實(shí)際構(gòu)造為例，首先利用Solidwork 軟件建立包括罐體、地基基礎(chǔ)、回填土夯實(shí)基礎(chǔ)及外圍巖土實(shí)體模型，其中罐體包括罐壁、加強(qiáng)圈、罐底和大角縫，地基基礎(chǔ)包括混凝土環(huán)梁、水泥找平層、100 mm 混凝土墊層、100 mm 瀝青砂、900 mm 砂墊層和1 000 mm 級(jí)配碎石夾粗砂，然后將所建模型導(dǎo)入Ansys/Workbench 有限元結(jié)構(gòu)分析軟件中得到有限元模型，見圖1。

圖1 大型浮頂儲(chǔ)罐實(shí)體模型

利用Ansys/Workbench 有限元結(jié)構(gòu)分析軟件采用實(shí)體單元及精細(xì)單元對(duì)大型儲(chǔ)罐實(shí)體模型進(jìn)行精細(xì)三維有限元網(wǎng)格劃分，效果見圖2，共劃分節(jié)點(diǎn)1 573 805 個(gè)、三維有限元單元428 864 個(gè)。

圖2 大型儲(chǔ)罐實(shí)體模型有限元網(wǎng)格劃分

2 大型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

2.1 理想狀態(tài)下大型儲(chǔ)罐靜載應(yīng)力分析

以該儲(chǔ)罐實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)為例，分析儲(chǔ)罐在最大液面下的應(yīng)力分布特性，假設(shè)注入液體為水（油比水略輕，更為安全），最大注入液面高度為16.3 m，最大充裝速度為3 500 m3/h，單盤浮頂質(zhì)量為1.44×105kg，產(chǎn)生的壓強(qiáng)為487.83 N/m2。考慮最大注水高度產(chǎn)生的凈水壓力(最大值為0.162 2 MPa)和單盤浮頂引起的面壓力(487.83 Pa)聯(lián)合自重作用，對(duì)大型儲(chǔ)罐進(jìn)行靜態(tài)分析，邊界條件為回填土夯實(shí)基礎(chǔ)底部固支，得到罐體結(jié)構(gòu)在自重、凈水壓力和單盤浮頂?shù)挠绊懏a(chǎn)生的面壓力聯(lián)合作用下的整體Mises 應(yīng)力分布見圖3。

圖3 罐體Mises 應(yīng)力分布示意圖

儲(chǔ)罐罐壁、加強(qiáng)圈、罐底和大角縫的Mises 應(yīng)力分布見圖4。

圖4 儲(chǔ)罐主要結(jié)構(gòu)Mises 應(yīng)力分布情況

圖4 儲(chǔ)罐主要結(jié)構(gòu)Mises 應(yīng)力分布情況（續(xù)）

由圖3 和圖4 可以看出，罐體罐壁、加強(qiáng)圈、罐底、大角縫等結(jié)構(gòu)各部分的Mises 應(yīng)力最大值分別為331.02 MPa、688.46 MPa、46.86 MPa 和46.05 MPa，整體Mises 應(yīng)力最大值位于第2 個(gè)加強(qiáng)圈(從下向上)的某支架上，細(xì)節(jié)見圖5。

圖5 罐體Mises 應(yīng)力最大值局部細(xì)節(jié)圖

2.2 不均勻沉降作用下儲(chǔ)罐應(yīng)力分析

在實(shí)際的回填土夯實(shí)基礎(chǔ)中，由于水對(duì)土體的影響等各種原因會(huì)引起局部弱化，進(jìn)而引起罐體隨著基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降[12]。為了確保模擬結(jié)果的合理性和代表性，在計(jì)算過程中考慮軟化比較嚴(yán)重的極端狀態(tài)，將回填土夯實(shí)基礎(chǔ)的1/4 扇形（圖6 中綠色部分）的彈性模量降低50%（由于大型油罐圈梁和伐基設(shè)計(jì)閾值都比較高，這種方案計(jì)算結(jié)構(gòu)能夠涵蓋比較小的不均勻沉降影響）。回填土夯實(shí)基礎(chǔ)采用Ansys/Workbench 有限元結(jié)構(gòu)分析軟件給定的sandstone 材料，其彈性模量為3.4×1010?？紤]由于各種外界因素引起部分回填土夯實(shí)基礎(chǔ)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象而可能引起局部不均勻沉降，假設(shè)軟化導(dǎo)致1/4 扇形綠色部分的彈性模量極大降低，設(shè)為1.7×1010。邊界條件為回填土夯實(shí)基礎(chǔ)底部固支，對(duì)大型儲(chǔ)罐進(jìn)行靜態(tài)分析。

圖6 1/4 扇形回填土夯實(shí)基礎(chǔ)弱化

然后計(jì)算得到罐體結(jié)構(gòu)在自重、凈水壓力、單盤浮頂?shù)挠绊懏a(chǎn)生的面壓力和不均勻沉降聯(lián)合作用下的Mises 應(yīng)力分布見圖7。

圖7 罐體結(jié)構(gòu)Mises 應(yīng)力分布示意圖

儲(chǔ)罐罐壁、加強(qiáng)圈、罐底和大角縫的Mises 應(yīng)力分布見圖8。

圖8 不均勻沉降作用下儲(chǔ)罐主要結(jié)構(gòu)Mises 應(yīng)力分布

由圖7 和圖8 可以看出，不均勻沉降條件下罐體罐壁、加強(qiáng)圈、罐底、大角縫等結(jié)構(gòu)各部分的Mises 應(yīng)力最大值分別為331.02 MPa、688.46 MPa、46.86 MPa 和46.05 MPa，整體Mises 應(yīng)力最大值同樣位于第2 個(gè)加強(qiáng)圈(從下向上)的某支架上，見圖9。

圖9 Mises 應(yīng)力最大值的位置示意圖

對(duì)比正常工況和不均勻沉降工況的應(yīng)力可以看出，回填土夯實(shí)基礎(chǔ)小局部產(chǎn)生剛度軟化現(xiàn)象，對(duì)罐體應(yīng)力變化影響較小，主要是由于3 m 高、0.5 m 寬的混凝土環(huán)梁相對(duì)剛度非常大，還有厚度加起來(lái)2 m 的基礎(chǔ)層包括瀝青砂層（100 mm)、砂墊層（900 mm)和級(jí)配碎石夾粗砂層，使得地基與基礎(chǔ)層相對(duì)剛度非常大且相對(duì)變形比較小，所以小面積軟化不會(huì)引起罐體結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生比較大的變化，除非回填土夯實(shí)基礎(chǔ)或更深層的原始巖石巖土層發(fā)生大面積軟化或空洞而造成罐體失穩(wěn)。

2.3 地震力作用下儲(chǔ)罐應(yīng)力分析

考慮由于地震動(dòng)水壓力作用引起的應(yīng)力變化，地震作用采用等效靜載荷。邊界條件為回填土夯實(shí)基礎(chǔ)底部固支，對(duì)大型儲(chǔ)罐進(jìn)行靜態(tài)分析。由于一般大型和超大型儲(chǔ)罐都不會(huì)建造在地震多發(fā)區(qū)和具有大型地震可能發(fā)生的區(qū)域[16]，采用吉林省地震局針對(duì)水壩建議在抗震設(shè)計(jì)時(shí)將防烈度設(shè)為VII 度，水平加速度峰值取0.16g?？紤]到儲(chǔ)罐水平尺度與庫(kù)水水平尺度的區(qū)別，將地震動(dòng)水壓力的最大值等效成等效地震靜載荷作用于1/8 罐壁上，將加速度方向載荷放大到法向載荷，見圖10。

圖10 地震動(dòng)水壓力作用等效載荷分布

罐壁、罐底、加強(qiáng)圈和大角縫Mises 應(yīng)力分布見圖11。

圖11 地震力作用下儲(chǔ)罐主要結(jié)構(gòu)Mises 應(yīng)力分布

由圖10 和圖11 可以看出，地震作用下罐體罐壁、加強(qiáng)圈、罐底、大角縫等結(jié)構(gòu)各部分的Mises 應(yīng)力最大值分別為644.08 MPa、674.93 MPa、92.40 MPa 和72.39 MPa?？紤]到地震發(fā)生的時(shí)間長(zhǎng)度比較短，起主導(dǎo)作用的是強(qiáng)度極限，所以在地震力加速度峰值取0.16g 的工況下儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)相對(duì)于實(shí)際運(yùn)行結(jié)果是相對(duì)安全的。

2.4 不均勻沉降與地震力耦合作用下儲(chǔ)罐應(yīng)力分析

考慮最不利情況，地震等效壓力作用在具有不均勻沉降區(qū)域的罐壁正上方1/8 區(qū)域，分析計(jì)算得到不均勻沉降與地震力耦合作用下儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的Mises 應(yīng)力分布見圖12。

圖12 不均勻沉降與地震力耦合作用下罐體Mises 應(yīng)力分布

不均勻沉降工況與地震力耦合作用下儲(chǔ)罐罐壁、加強(qiáng)圈、罐底和大角縫的Mises 應(yīng)力分布見圖13。

圖13 不均勻沉降與地震力耦合作用下儲(chǔ)罐各部件Mises 應(yīng)力分布

圖13 不均勻沉降與地震力耦合作用下儲(chǔ)罐各部件Mises 應(yīng)力分布（續(xù)）

由圖12 和圖13 可以看出，地震作用下罐體罐壁、加強(qiáng)圈、罐底、大角縫等結(jié)構(gòu)各部分的Mises 應(yīng)力最大值分別為643.48 MPa、835.03 MPa、98.61 MPa 和81.87 MPa。

對(duì)比罐體結(jié)構(gòu)各部分在正常工況、非均勻沉降工況、地震力工況及不均勻沉降和地震力耦合工況下Mises 應(yīng)力最大值，結(jié)果見圖14。

圖14 不同工況下儲(chǔ)罐各部件Mises 最大應(yīng)力對(duì)比

由圖14 對(duì)不同工況下儲(chǔ)罐各結(jié)構(gòu)的Mises 應(yīng)力最大值對(duì)比可以看出，局部不均勻沉降對(duì)罐體應(yīng)力變化影響較??；地震力對(duì)罐壁、罐底和大角縫均有一定影響，但地震發(fā)生的時(shí)間長(zhǎng)度比較短，起主導(dǎo)作用的是強(qiáng)度極限，所以在工程實(shí)際中該工況下也相對(duì)安全；但不均勻沉降與地震力耦合作用對(duì)大型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響較大，特別是對(duì)加強(qiáng)圈的Mises 應(yīng)力最大值達(dá)到了835.03 MPa，已遠(yuǎn)大于強(qiáng)度極限值(610 ～740 MPa)，所以不均勻沉降和地震力耦合作用下的大型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)已經(jīng)處于不安全狀態(tài)，在運(yùn)行過程中要密切關(guān)注。

3 結(jié)論

1）靜態(tài)分析結(jié)果顯示罐壁局部區(qū)域Mises 應(yīng)力最大值為330.80 MPa，大于許用應(yīng)力261 MPa，大部分區(qū)域均小于許用應(yīng)力，加強(qiáng)圈下支架最大的Mises 應(yīng)力達(dá)到688.46 MPa，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成不利影響，應(yīng)在注水高度達(dá)到最大值時(shí)予以關(guān)注。

2）局部不均勻沉降對(duì)罐體應(yīng)力變化影響較小，所以小面積基礎(chǔ)軟化不會(huì)引起罐體結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生大的變化，但大面積軟化或空洞可能會(huì)造成罐體失穩(wěn)。

3）地震力作用對(duì)罐壁和加強(qiáng)圈的影響相對(duì)較大，但地震發(fā)生的時(shí)間長(zhǎng)度比較短，且起主導(dǎo)作用的是強(qiáng)度極限，所以僅地震力作用對(duì)于工程實(shí)際結(jié)果是相對(duì)安全的。

4）不均勻沉降與地震力耦合作用對(duì)大型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力具有較大的影響，特別是加強(qiáng)圈的Mises應(yīng)力最大值達(dá)到835.03 MPa，已遠(yuǎn)大于強(qiáng)度極限值(610 ～740 MPa)，所以不均勻沉降和地震力耦合作用下大型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)已經(jīng)不安全，需要加強(qiáng)關(guān)注。