立式储罐结构超压失效分析

蔡伟勇　凌张伟　王　敏

（浙江省特种设备检验研究院）



立式储罐结构超压失效分析

蔡伟勇*凌张伟王敏

（浙江省特种设备检验研究院）

摘要建立了储罐有限元分析模型，研究了储罐内部超压对罐底板变形的影响，同时分析了储罐超压对含缺陷角焊缝的裂纹尖端应力强度因子的影响。结果表明，储罐超压会导致罐底板发生提离变形，并且会导致含缺陷角焊缝的裂纹尖端应力强度因子增大，增加角焊缝结构失效的可能性。

关键词储罐超压角焊缝应力强度因子罐底板

*蔡伟勇，男，1973年生，工程师。杭州市，310020。

0　引言

石油和石化生产企业广泛采用固定顶常压立式储罐作为盛储载体，多储存具有易挥发、易燃、易爆、有毒、有害性质的介质。由于自然环境的侵蚀和工况条件的变化，储罐常会发生变形、腐蚀、角焊缝撕裂等结构失效，降低了结构的安全可靠性，更甚者会引发介质的泄漏、火灾、爆炸等事故。储罐超压是造成储罐结构破坏最常见的原因之一。2006年7月16日，某单位就发生一起储罐（介质为精已二胺）超压事故[1]，导致罐底边缘板翘起事故。2014年8月，某炼化公司一非锚固立式储罐因超压而导致罐底发生严重变形，同时罐底角焊缝发生撕裂。

文献[2]关于储罐超压破坏采用瞬态压力波传递计算法定量描述了壁面作用压力波，分析了罐顶局部屈服失稳和强度破坏形式等；文献[3]建立了储罐内冲击波超压的计算方法，对不同容积的储罐在爆炸载荷作用下进行了非线性有限元分析；文献[4]分析了储罐焊趾位置的表面半椭圆裂纹，并计算了不同参数下的应力强度因子。文献[5]采用有限元软件对球罐设计进行了建模分析；文献[6]采用ANSYS有限元软件对储罐进行了非线性屈曲分析和抗风设计；文献[7]对油罐大角焊缝处的应力进行了数值分析，分析了边缘板厚度、内侧焊缝长度等对大角焊缝处最大峰值应力的影响规律。

本文通过建立储罐有限元模型，分析了罐内超压对罐底板变形的影响；同时建立了含缺陷角焊缝模型，分析了超压作用下结构应力集中对角焊缝裂纹尖端应力强度因子的影响。

1建立储罐有限元分析模型

某事故储罐的容积为235 m3，其结构特征为立式拱顶，尺寸为Ø6000×8656×6（单位为mm×mm× mm），材料为Q235，焊缝系数为0.9；储罐的存储介质为甲基二乙醇胺，其密度为1.04 g/cm3，操作压力为-0.49～1.96 kPa。2014年8月，该储罐因呼吸阀未能正常工作致使罐内气相严重超压，导致了储罐罐底板发生提离变形，同时罐底角焊缝也发生了撕裂，如图1所示。

图1　事故储罐

建立的有限元分析模型如图2所示。储罐材料弹性模量为210 GPa，屈服强度为235 MPa，泊松比为0.3，抗拉强度为375 MPa。储罐结构受力主要有罐内气相压力p，承装介质静压力（假设介质高度为5.5 m），以及储罐本身重力。计算中将储罐基础简化为刚性平板，与储罐罐底之间定义接触属性。储罐的边界条件设置考虑实际物料进、出管和其他附件的约束作用在罐底局部设置边界约束。

图2　储罐结构模型

2储罐罐底板超压变形

根据建立的储罐结构分析模型，在储罐气相空间分别施加内压为p=0.035 MPa、0.04 MPa、0.042 MPa、0.046 MPa。计算结果的局部放大图如图3所示，储罐罐底板发生了提离变形，在压力为0.042 MPa时其提离高度与实际事故提离高度相近；提离变形后罐底呈碗状形态，并且在结构不连续的角焊缝位置处存在较大的应力集中。由图4可见，随着内压的增加，罐底板提离的高度也随之增加。根据理论力学知识，储罐罐底板发生提离的主要原因是非锚固储罐结构承受的上举力高于储罐的重力与罐内介质静压力之和，从而使得储罐整体结构以约束部位为中心产生提离，致使罐底偏离于储罐基础。

图3　储罐结构整体变形

图4　罐内压与罐底板提离高度关系

3角焊缝表面裂纹分析

储罐发生提离变形时角焊缝位置处存在较大的应力集中，容易导致该位置处发生断裂。应力强度因子作为表征外力作用下弹性体裂纹尖端附近应力场强度的一个重要参量，是评价断裂破坏和裂纹扩展规律的重要指标。为分析提离变形对含缺陷角焊缝位置结构强度的影响，研究超压应力状态下角焊缝裂纹尖端的应力强度因子情况。建立含缺陷角焊缝分析单元模型，如图5所示。缺陷的尺寸根据GB/T 19624—2004《在用含缺陷压力容器安全评定》设置规则，对于表面椭圆裂纹，要求裂纹深度a≤0.7t，t为板厚度。计算中设置裂纹深度a分别为5 mm、4 mm、3 mm、2.5 mm，裂纹宽度2c为16 mm。裂纹宽度方向平行于焊缝长度方向，裂纹面与焊缝水平面的夹角为45°。单元受力状态根据超压变形后的应力状态设定。

图5　含缺陷角焊缝有限元模型

图6所示为裂纹尖端应力强度因子随前缘节点（裂纹角）的变化情况。可以看出应力强度因子随着裂纹角的增加而增大，最大值位于裂纹最深处。这说明在表面裂纹的中心处裂纹奇异应力场最强。根据断裂力学理论，表面裂纹的中心处会最早达到材料的断裂韧性并于此处起裂，因此裂纹中心处是最危险的部位。图7所示为采用扩展有限元方法对含缺陷角焊缝单元进行的扩展分析。由图7也可以看出，椭圆形表面裂纹从裂纹中心处起裂并往焊缝内部扩展。同时从图6可以看出，对于同一裂纹角度，应力强度因子随着裂纹深度a的增加而增加，即半椭圆裂纹的短半轴在焊缝方向越深，KⅠ值越大，越容易在应力集中下发生扩展，导致该部位强度下降，即角焊缝越不安全。

图6　裂纹前缘节点处应力强度因子

4结论

本文以储罐为研究对象，建立储罐超压变形和含缺陷角焊缝表面裂纹的分析模型，研究了超压工况下储罐罐底的提离变形和罐内超压对含缺陷角焊缝的影响。研究结果表明，非锚固储罐气相空间的内压超压会导致储罐罐底板产生提离变形，并且提离高度与内压大小成正比；同时，在超压变形导致的应力集中作用下，含缺陷的角焊缝裂纹尖端应力强度因子较大，在裂纹中心尖端具有最大值，并且随着裂纹深度的增加，裂纹尖端应力强度因子也增大，因此超压作用下该位置处为结构强度的危险点。工程实践中要定期对罐底角焊缝进行检测，防止储罐超压以及角焊缝裂纹的衍生，以保障储罐结构安全。

图7　表面裂纹扩展过程（扩展时间单位：s）

参考文献

[1]杨郑军，马铜钢.一起储罐超压事故分析[J].维护与修理，2007（12）：43-44.

[2]丁宇奇.立式拱顶储罐超压破坏机理与弱顶结构研究[D].大庆：东北石油大学，2014.

[3]沙金成.立式固定拱顶储罐爆炸压力下的结构应力分析[D].大庆：东北石油大学，2014.

[4]张占武.大型储罐角焊缝焊趾表面裂纹应力强度因子计算及安全评价[D].武汉：武汉工程大学，2013.

[5]万兴，张群，向玲.以Workbench进行球罐设计的建模分析方案[J].化工装备技术，2015,36（2）:35-40.

[6]魏化中，张占武，丁克勤，等.大型立式储罐风致静力屈曲分析[J].化工装备技术，2014,35（6）：8-12.

[7]陈志平，蒋伟华，沈建民，等.大型油罐大角焊缝处峰值应力分析[J].压力容器，2005，22（5）：12-15.

Failure Analysis of Vertical Storage Tank under Overpressure

Cai Weiyong Ling Zhangwei Wang Min

Abstract：The finite element analysis model of the storage tank is established so that the influence of the internal overpressure on the deformation of the tank bottom as well as the influence of the overpressure on the stress intensity factor of the crack tip in the fillet weld with defects is analyzed.The results show that the overpressure of the tank may lead to the lifting deformation of the tank bottom and increase the stress intensity factor of the crack tip in the fillet weld with defects which increase the possibility of the structure failure of the fillet weld.

Key words:Storage tank; Overpressure; Fillet weld; Stress intensity factor; Tank bottom

收稿日期：（2015-07-30）

中图分类号TQ 050.2

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.04.009