立式金属罐罐底变形容量修正方法研究

陈贤雷，郝华东，施浩磊

（舟山市质量技术监督检测研究院，浙江 舟山 316021）

立式金属罐罐底变形容量修正方法研究

陈贤雷，郝华东，施浩磊

（舟山市质量技术监督检测研究院，浙江 舟山 316021）

通过建立立式金属罐的罐底有限元模型，提出罐底标高修正法和附件修正法，减少立式金属罐装油后罐底变形对容量计量的影响，提高贸易计量交接的准确性。对容量为5000m3的立式金属罐，分别采用容量比较法与几何测量法进行测量试验分析；通过采用罐底标高修正和附件修正两种方法对几何测量法的测量结果进行修正，并与容量比较法的结果进行比较，验证两种修正方法的可靠性。

立式金属罐；罐底变形；容量计量；修正方法；试验分析

0　引　言

立式金属罐（以下简称“立式罐”）是我国能源计量贸易交接的重要强检计量器具，其容量计量的准确性直接影响国内外贸易的经济利益和国家计量信誉［1-2］。目前，随着贸易交接的日益频繁和立式罐大型化发展趋势，对立式罐容量计量准确性要求越来越高，但仍然有一些因素（如温度、罐体椭圆度、罐体倾斜、罐底变形等）影响其计量准确性，其中罐底变形对立式罐容量计量准确性影响较大。

立式罐罐底变形原因比较复杂，涉及到地质学、建筑、力学、热学、材料学等诸多学科领域，主要分为以下2类［3］：1）罐体进行水压试验后，原来具有一定锥度的规则状罐底板变成不规则的凸凹状表面；2）充装油品后，罐地基不断变化，造成罐基础不均匀沉陷和罐底板变形，导致罐底部变化没有规律。

国内外专家学者多年来积极探索实用准确的立式罐底量测量方法。目前，已经提出了4种储液状态下底量增量测量方法［4-7］：几何法、倒罐法、双位法和液位计法，但上述方法无法从根本上减少或消除因罐底变形造成罐底量的误差。为了提高容量计量的准确性和确保贸易交接的可靠性，本文开展立式罐罐底变形容量修正方法的研究。

1　立式金属罐有限元建模及分析

基于有限元分析开展立式罐罐底量变形研究，通过建立容量为5 000 m3立式罐的罐底有限元模型，模拟罐体自重和试水产生静压力工况下，开展立式罐罐底变形分析，寻找、总结罐底变形的规律。

1.1参数设置

如图1（a）所示，立式罐建模参数参照GB 50341——2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》［8］，罐底与地基之间采用面—面接触单元［9］，地基上表面采用Conta174接触单元，罐底采用Targe170目标单元。如图1（b）所示，由于三维建模单位过大，为了方便数据处理，本文采用半个罐体即10°实体模型建模。如图1（c）所示，模型载荷主要由重力加速度模拟的罐体质量和从上至下线性增加的三角分布的液体静压力组成。

图1　罐体有限元模型

1.2建模沉降分析

如图2所示，对5000m3的仿真罐每隔2m高度液位进行罐底沉降仿真试验，得到不同液位高度下罐底最大沉降曲线图。从图中可得，随着液体高度不断上升，罐底承受的静压力逐步增大，压力与沉降量按一定规律进行变化：其中在4～8m范围内罐底沉降量变化幅度最明显，每间隔2m高度变化为2mm左右；在8～16 m范围内变化趋于平稳，每间隔2 m高度变化为0.8 mm左右；在16～20 m范围内，每间隔2m高度变化为0.6mm左右。

图2　不同液位高度下罐底最大沉降曲线图

罐底板随液高变化规律如图3所示，可得出以下结论：1）当液位高度H在（0，H1）区间内，罐底板沉降基本没有变化，当达到H1值附近时，罐底板突然下沉变形，产生底量增量；2）当液位高度H在（H1，H2）区间内，罐底板产生均匀线性形变、沉降；3）当液位高度H在（H2，H3）区间内，罐底板沉降变化不大，呈现稳定状态。

图3　罐底板随液高变化规律图

2　试验分析

根据JJG 168——2005《立式金属罐容量》检定规程，立式罐底量测量所用的方法有容量比较法和几何测量法，由于容量比较法是将水或者液体石油产品从标准金属量器或流量计注入到被测罐［10］，罐体越大需要的液体越多，同时费时费力，所以在日常检定中均采用几何测量法。本文在仿真的基础上，通过采用容量比较法和几何测量法对容量为5000m3的立式罐进行测量，比较两种测量方法的结果，验证1.2节中仿真结论的准确性。

2.1试验条件和方法

2.1.1容量比较法

容量比较法所使用的标准器为美国产罗斯蒙特质量流量计，准确度等级为0.1级，通过线性拟合后，其准确度可以达到0.05%；测深钢卷尺准确度等级为I级，试验用介质为储罐进行试水沉降时使用的池水。将量油尺在预测液高位置处涂上试水膏，在被测罐上由检尺口处向下投尺，测得液面高度。其注水点分别为：第1点为罐底最高点，也可适当超出，以后每隔2 m为一点；测试结果时流量在70 t/h左右，两个储罐水温均在23℃左右，密度按纯水密度表计算。

2.1.2几何测量法

几何测量法所用标准器为徕卡TCRM1200+全站仪，准确度等级为II级；水准仪为徕卡NA728型，准确度等级为DSZ3级。钢卷尺和测深钢卷尺的准确度等级均为I级。试验依据JJG 168——2005检定规程要求，在空罐下进行测量。

2.2罐容数据比较

底量部分高度分别为0.2，0.5，1m，之后每隔2m取值，对容量比较法和几何测量法的测量结果进行比较，得到罐容比较如表1所示。

表1　几何测量法与容量比较法的比较表

可以看出，两种方法测得的罐容有一定变化，主要有以下4点：在0～0.2m高度范围内，底量变化不大，为-0.102m3；在0.2～0.5m高度范围内，在0.5m底部突变0.61m3，产生沉降；在0.5～8m高度范围内，底部增量随着高度成线性变化；在8～15m高度范围内，底部增量逐渐趋于平稳。该结论与仿真结果相似。

3　罐底变形修正方法

本文提出通过罐底标高修正和附件修正两种方法来修正底部增量，进而提高容量计量的准确性。

3.1罐底标高修正法

依据JJG 168——2005检定规程要求，几何测量法原理是将罐底作为一个圆，根据罐容大小确定罐底上同心圆（I，II，III，…，m）和半径（O-1，O-2，…，O-n，n为半径测量系数）的交点位置和测量点数，将水准仪架设在罐底中心的稳定点上，用标高尺逐一直立于各测量点、罐底中心点和下计量基准点上，由水准仪读出标尺的读数，记录各测量点的标高［7］。

用几何测量法测量罐底，其罐底最高点以下容量ΔVB按下式计算：

式中：ΔVB——罐底容量；

R——罐底的半径；

H0——罐底中心高度；

H1——第1个圆周上测点高度；

Hm-1——第（m-1）个圆周上测点高度；

K=m·n，根据检定规程JJG 168——2005描述，

5000m3的罐，m=n=8。

通过仿真数据和实测数据，结合立式罐检定规程中底量计算模型对几何测量法获得的底量数据进行修正。通过对容量为5000m3的立式罐仿真，得到其在罐体充满水的情况下，底部中心沉降为12mm，边部沉降为1.5mm，其余各点按线性沉降，通过对罐底中心点H0、圆周上各点和边部各点Hm-8进行修正，罐底标高法修正前后与容量比较法测得的容量，如表2所示。

从表中可以得到，液高从6m开始往上，修正前的几何测量法与容量比较法容量相对误差最大为-0.106%，而采用罐底标高修正后的几何测量法与容量比较法容量相对误差最大仅为-0.006%，该段修正较为理想；但是在液高0.5～6 m范围内，尤其是在0.5m内，采用罐底标高修正后的几何测量法与容量比较法容量相对误差达0.848%，大于修正前的-0.435%，而在液高1～4m位置时，修正后容量相对误差逐步减少，这是因为罐底标高修正法对低液位时的容量修正效果不明显，导致罐底容量产生突变，无法对不同液位下的罐容进行动态修正；而对6m以上较高液位时的容量修正效果比较好，这种方法适用于进行高液位贸易交接的罐，准确度比较高。

表2　5000m3立式金属罐罐底标高法修正前后与容量比较法的比较表

3.2附件修正法

采用附件修正方法对几何测量法的测量结果进行分层修正。分层依据仿真结果和实测结论，分为（0，H1）、（H1，H2）和（H2，H3）区间。根据表1数据，在每个区间增加一个附件来进行修正，其中液高在0～0.5m范围内，附件修正值为0.8m3；液高在0.5～8m范围内，附件修正值为1.8 m3；液高在8～15 m范围内，附件修正值为0.1m3。修正后数据与容量比较法比较如表3所示。

表3　5000m3立式金属罐附件法修正前后与容量法的容量比较表

从表中可以得到，液高在0～0.5m范围内，修正前几何测量法与容量比较法容量相对误差为-0.435%，而修正后几何测量法与容量比较法容量相对误差为-0.007%；液高在1～8 m范围内，修正前几何测量法与容量比较法容量相对误差最大为-0.268%，而修正后几何测量法与容量比较法容量相对误差最大为0.012%；液高在10～15m范围内，修正前几何测量法与容量比较法容量相对误差最大为-0.087%，而修正后几何测量法与容量比较法容量相对误差最大为0.012%；修正结果较为理想。

4　结束语

本文通过对容量为5000m3的立式罐有限元模型进行罐底沉降量分析，得出各个高度的沉降变化，总结理论经验。对仿真数据进行分析，并通过容量比较法与几何测量法的比较，验证仿真结论的可靠性，分别通过罐底标高修正和附件修正两种方法对几何测量法的结果进行修正，但是罐底标高修正法只能对某一液高位置的罐容进行修正，无法对不同液位下的罐容进行动态修正，与容量比较法相比，相对误差还较大。附件修正法能够分层修正，根据罐容在不同液位高度下的变化对其进行线性修正，与罐底标高修正法相比，相对误差较小，但是该方法要求在已知罐底实际变形量和罐容实际变化量的情况下进行修正，即对参照GB 50341——2003制造规范设计的5000m3立式金属罐具有一定的适用性。

由于每个立式罐罐底填充材料、罐底材料、地基和使用情况等不同，造成的沉降量和罐容变化大不相同，在此基础上还需进一步研究，通过测试各个型号不同地基、材料的立式罐，获取更加详尽的测试数据，为寻找更加准确可靠的修正方法，继而提高容量计量贸易交接准确性以及确保油罐正常安全使用提供帮助。

［1］刘子勇.容量计量［M］.北京：中国计量出版社，2009：122-129.

［2］陈贤雷，郝华东，李红军，等.大型立式金属罐容量计算中三维激光扫描方法研究［J］.中国测试，2014，40（2）：44-48.

［3］杨玉芬，王为松.立式储罐底部变形对储罐容量的影响［J］.炼油与化工，2007，18（2）：26-28.

［4］佟仕忠，付贵增，马君杰，等.立式金属罐罐底变形测量方法的探讨［J］.仪器仪表学报，2003，24（4）：56-57.

［5］谷小红，佟仕忠，孙金革.立式金属罐罐底变形量测量的研究［J］.抚顺石油学院学报，2003（3）：72-74.

［6］董艾平，李莉，陈瑞华.立式金属罐罐底容量计算的探讨［J］.计量技术，2003（12）：45-46.

［7］苏彩山，郭宏杰，刘社恩，等.立式罐底量流量计测量方法探讨［J］.计量技术，2015（1）：106.

［8］立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范：GB 50341—2003［S］.北京：中国标准出版社，2003.

［9］赵继承.基于罐底接触模拟的大型立式原油储罐的有限元分析［D］.北京：北京化工大学，2008.

［10］立式金属罐容量：JJG 168—2005［S］.北京：中国计量出版社，2005.

（编辑：刘杨）

Study on the volume correction method of vertical metal tank after tank bottom deformation

CHEN Xianlei，HAO Huadong，SHI Haolei
（Zhoushan Institute of Calibration and Testing for Qualitative and Technical Supervision，Zhoushan 316021，China）

The paper explores a volume correction method for bottom deformation of vertical metal tanks.A tank bottom elevation correction method and an accessory correction method were respectively proposed through the establishment of a finite element model for tank bottom to reduce the influence of tank bottom deformation on volume metrology resulted from oil loading，thus enhancing the accuracy of custody transfer.A vertical metal tank with a capacity of 5，000 m3 was tested by volume comparison and geometric measurement and the analytical results were modified with the elevation correction method and the accessory correction method described above.Then，the modified results were compared with the results of volume comparison to verify that reliability of the two correction methods.

vertical metal tank；bottom deformation；volume metrology；correction method；test analysis

A

1674-5124（2016）05-0038-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.05.008

2015-07-08；

2015-09-28

国家质检总局公益性行业科研专项（201210106）浙江省质监系统科研计划项目（20130393）浙江省科技厅公益技术研究社会发展项目（2012C33082）舟山市科技计划项目（2013C31049）

陈贤雷（1984-），男，浙江舟山市人，工程师，主要从事立式罐等大容量计量检定、科研及计量管理工作。