地下储油罐热力学有限元分析

2015-11-02龚彦张津王海娟李倩

机电产品开发与创新 2015年2期

龚彦，张津，王海娟，李倩

（1.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500；2.宝石机械成都装备制造分公司，四川成都 610500；3.河南油田石油工程技术研究院，河南郑州 450000；4.川中油气矿磨溪天然气净化厂，四川遂宁 629001）

地下储油罐热力学有限元分析

龚彦1，张津2，王海娟3，李倩4

在石油工业的中下游产业中，使用有许多埋藏在地下的储油罐，其安装好后常会因受温度的影响造成油罐损坏而导致事故。因此储油罐在投入使用之前进行热力学有限元分析，避免可能发生的事故是有必要的。针对小型加油站地下储油罐，运用有限元软件ANSYS，采用耦合场分析的方法，计算地下储油罐由温度场引起的应力场分布。根据储油罐的轴对称结构，选择过其对称轴的一平面建立了地下储油罐的二维平面模型，先计算了其瞬态热传导问题，再根据温度分布计算储油罐应力场分布。通过计算得到储油罐瞬时温度场分布及储油罐应力场分布。计算结果表明，温度场对储油罐产生的等效应力为拉应力，在储油罐设计时应考虑其影响。

储油罐；温度场；应力场；有限元

0 引言

在石油工业的中下游产业中，诸如炼化、储运等行业，采用了许多地下储油罐，因地下储油罐所处的空间物理环境复杂，在生产活动中储油罐经常发生事故，给人们的生命安全和财产造成了巨大的损失［1］。地下储油罐内部储油，外部盖满泥土，其受力情况非常复杂，总体来说它主要承受内部油压、外部土压、结构自重和上部不确定载荷外的同时，还要承受因温度改变而引起的应力。因此，地下油罐在投入使用时，有必要对其进行热力学的有限元仿真，并计算出因温度改变而引起的储油罐应力变化和形变，校核其安全性，分析其失效形式及提出改进措施，确保油罐在投入使用后的安全性，尽量减少因油罐事故造成的生命安全问题和经济损失。本文以与人们日常生活密切相关的加油站地下油罐为例进行热力学分析。

1 地下储油罐的热力学模型建立

通常情况下，加油站的油罐罐体采用两端为半球体，中间为圆柱体的轴对称结构形式。根据常见的加油站规模，可设罐体的相关尺寸为，罐体总长4.4m，内径1m，壁厚20cm，储油罐浅埋地下，距离地面高度为2m左右，罐体四周为泥土，建模时选取罐体四周的泥土尺寸为（6×8）m（如果选的更大，只会增加计算负担，温度在此范围外无明显变化）。在计算时，涉及到的材料基本参数如表1所示。

表1　相关材料的基本参数Tab1.Related Materials Parameters

建模时，选取单元类型为plane13。由于罐体是轴对称结构，故温度分布和应力分布也为轴对称分布，且由弹性力学知，过罐体对称轴的任一平面的应力分布情况是相同的，因此，可任取一过对称轴的平面进行分析即可得到整过罐体的温度分布和应力分布情况。在ansys中建立平面模型，如图1所示，在该图中，面1代表汽油，面2代表油罐壁，面3代表土体。模型建好后，采用自由网格划分。

图1　在ANSYS中建立的几何模型Fig.1 The geometric model in ANSYS

2 地下储油罐温度场的数值模拟

根据所选罐体的尺寸，计算得到罐体的容积约为10.5m3，罐体容积较小，因此注油时间较短，可假定油罐在瞬间注满，在分析过程中可忽略因注油引起的热量传递与散失［2～4］。在分析时，首先计算罐体中瞬时温度场分布，并以此为温度载荷，计算对应时刻应力场在罐体中的分布。要使得罐体常年安全工作，故取较为恶劣的计算条件，以验证温度对其安全性的影响，设汽油的初始温度为50℃（汽油的着火点为427℃），罐体和土体的初始温度20℃。随着时间的推移，汽油的温度不断降低，储油罐及其周围土体的温度不断升高。在ansys中，对不同时刻汽油、油罐和周围土体的温度场进行了模拟计算，结果如图2所示，图中单位℃。由图2可以看出，储油罐在注满汽油后，1小时内温度场分布变化很快，罐内边界层的汽油温度迅速下降，而储油罐管壁温度急剧上升，土体温度也在快速变化。大约在1小时后，储油罐的温度场变化逐渐缓慢，周围土体温度的变化，较1小时前也明显减慢。

图2　油罐注油后温度随时间的变化Fig.2 The temperature variation with time after filling oil in tank

3 储油罐温度应力的数值模拟

由前述分析可知，在油罐注满油后的一小段时间内，储油罐沿壁厚方向温度差较大，由于温度升高，引起材料体积膨胀，罐体壁产生应力，但温度变化量不同，故同一材料热变形量就不同。现在来分析罐体注满油后，罐体壁各个方向所受应力随时间变化的关系。在图3～图5中，横坐标为时间，单位是s，纵坐标为应力，单位为Pa，其中，图3所表示的是在油罐注满油后，储油罐在轴向方向，应力随时间的变化情况，并在总体上表现为拉应力，但在注油两小时后油罐轴向应力几乎为0，略有受压倾向，且应力状态稳定。图4所表示的是储油罐在周向方向应力变化情况，由图可以看出，罐壁在周向几乎一直处于受压的状态，但是，压应力随着时间的推移逐渐减小，并且趋于稳定状态。图5所表示的是储油罐在径向受应力的情况，并表现为拉应力，随着时间的推移，拉应力逐渐减小，大约两小时后，拉应力几乎为0，且保持稳定状态。

Thermodynamic Finite Element Analysis of Underground Storage Tank

GONG Yan1，ZHANG Jin2，WANG Hai-Juan3，LI Qian4
（1.School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；2.Chengdu Equipment Manufacturing Branch Company，Baoji Oilfield MachineryCO.，LTD，Chengdu Sichuan 610500，China；3.Petroleum Engineering Technology Research Institute，HeNan Oilfield，Zhengzhou Henan 450000，Chnia；4.Moxi Natural Gas Purification Plant，Chuanzhong Hydrocarbon Mine，Suining Sichuan 629001，China）

Many storage tanks are used in midstream and downstream production of petroleum industry；they often affected by temperature and induced tank damage，which caused some accidents after installation.Thus，in order to avoiding possible accidents，it's necessary to make thermodynamic finite element analysis for storage tank before using.The paper aimed at small scale gas station's underground storage tank，used software ANSYS and coherent field analytic method to calculate stress field distribution which was caused by the temperature field of underground storage tank.According to axisymmetric structure of storage tank，the paper selected a plane through its symmetry axis to create two-dimensional model，calculated its transient heat conduction problems at first，and then calculated tank's stress field distribution based on temperature distribution.According to calculation，obtained the instantaneous temperature distribution of storage tank and tank's stress field distribution.The results showed that equivalent stress which was caused by temperature field on the tank was tensile stress，and it's should be considered its impact at designing storage tank.

storage tank；temperature field；stress field；finite element