浮顶排水系统底部支座加强板及焊缝应力分析

崔亚梅，王 成，远双杰

（中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

挠性接头浮顶排水系统是国内大型浮顶储罐上常用的一种形式［1-8］。某100 000 m3浮顶原油储罐上采用挠性接头与复合型金属软管相连接的浮顶排水系统，具体结构及尺寸见图1。大修时发现该原油储罐的浮顶排水系统破坏失效［9-12］。现场照片显示排水系统底部支座加强板焊缝已经被撕裂，现场查看该焊缝为不满焊状态，焊脚高度大约为3 mm。

文中通过建立与实际情况相符的浮顶排水系统有限元模型，对浮顶排水系统位移及底部支座加强板与罐底焊缝应力进行计算［13-18］，并对焊缝撕裂原因进行分析。

图1 挠性接头浮顶排水系统示图

1 浮顶排水系统有限元模型建立

建立浮顶排水系统有限元模型时采用笛卡尔坐标系，x方向为排水管所在平面的水平方向，z方向为排水管所在平面的垂直方向，y为竖直方向。排水系统采用带中间节点的梁单元（图2），底部支座加强板及焊缝采用带中间节点的六面体实体单元（图3），总共生成40 471个节点、68 596个单元。

图2 浮顶排水系统有限元网格模型

图3 底部支座加强板不满焊有限元网格模型

2 浮顶排水系统模型载荷边界条件

考虑排水管内充满水的严苛条件，排水系统承受重力和浮力作用。下支座与加强板连接，排水管下端与支座可绕z轴自由转动。排水管上端简支，可绕y轴自由转动，并随浮盘升降。

作用到加强板与罐底焊缝上的力和力矩与支座反力和反力矩是作用力与反作用的关系，即大小相等、方向相反。

由于排水管上端简支，可绕y轴自由转动，所以浮盘沿y轴转动0.1 m的工况不会引起排水管上端转动，虽可导致x和z方向的平动，但平动位移小于0.1 m。因此本次分析中不考虑浮盘转动，只考虑浮盘晃动最大情况，即浮盘分别沿x和z方向平动0.1 m。

加强板与罐底焊缝模型的约束方式为内圈和外圈焊脚部位固定约束。加强板底面只设置支撑约束，用于模拟罐底板对加强板的支撑作用。不考虑罐底板的变形。

3 加强板与罐底焊缝应力校核标准

底部支座加强板与罐底焊缝的应力校核基于JB/T 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准（2005 年确认）》［19］，通过线性化处理，得到焊缝截面的薄膜应力、弯曲应力以及一次应力加二次应力。支座加强板和罐底板的材料均为Q235B，其在常温下的屈服强度为235 MPa。参照JB/T 4732—1995，焊缝位置的应力计算校核标准为，局部薄膜应力不大于1.5Sm=235 MPa（Sm为常温下屈服强度的1/1.5）,一次应力加二次应力不大于 3Sm=470 MPa。

焊缝的薄膜应力为局部薄膜应力，焊缝的弯曲应力按二次应力考虑，薄膜应力加弯曲应力与一次应力加二次应力数值相等。

4 加强板不满焊模型应力分析

4.1 液位高度5 m

浮盘晃动对排水系统有一定影响，考虑极端情况下浮盘晃动0.1 m，对不同液位下排水系统位移及加强板不满焊模型应力进行计算分析。

当液位高度为5 m且浮盘分别沿x方向和z方向平移0.1 m时，加强板不满焊模型应力云图见图4和图5。

图4 液位高度5 m且浮盘x方向平移0.1 m时加强板应力云图

图5 液位高度5 m且浮盘z方向平移0.1 m时加强板应力云图

由图4和图5可以看出，2种工况下加强板与罐底焊缝的最大应力均位于加强板中间矩形孔底部焊缝。

针对每一种工况，通过最大应力点，从最大应力点往焊缝斜面做垂线得到线性化路径，路径与加强板底面夹角为45°。加强板不满焊模型应力线性化结果见表1，应力线性化路径见图6。

从表1可见，液位高度5 m且浮盘发生x方向0.1 m位移时，加强板不满焊模型局部薄膜应力为243.343 MPa＞1.5Sm=235 MPa。此工况下加强板焊缝不满足强度要求，将发生焊接强度失效，加强板的约束方式也会发生变化。

重新建立新的加强板与焊缝边界条件，即加强板外圈焊缝与罐底板为固定约束，其余部分只有压缩的支撑约束，排水系统受力与内圈焊缝失效前相同。按新的边界条件进行应力分析，发现最大应力出现在加强板的外圈焊缝，从最大应力点往焊缝斜面做垂线建立线性化路径，路径与加强板底面夹角为45°。液位高度5 m、浮盘发生x方向0.1 m位移时，得到的加强板不满焊模型外圈焊缝线性化结果为，薄膜应力284.512 MPa、弯曲应力156.152 MPa、薄膜应力加弯曲应力433.052 MPa。可见加强板内圈焊缝失效后，外圈焊缝局部薄膜应力大于1.5Sm，不满足强度要求，将发生外圈焊接强度失效，即整个加强板焊接强度失效，焊缝撕裂。

图6 加强板不满焊模型应力线性化路径

4.2 液位高度10 m

当液位高度为10 m，且浮盘分别沿x方向和z方向平移0.1 m时，加强板不满焊模型应力云图见图7和图8。从图7和图8看出，2种工况下加强板与罐底焊缝的最大应力均位于加强板中间矩形孔底部焊缝。

图7 液位高度10 m且浮盘x方向平移0.1 m时加强板应力云图

图8 液位高度10 m且浮盘z方向平移0.1 m时加强板应力云图

按与液位高度5 m时同样的方法建立线性化路径，计算得到的应力线性化结果见表1。从表1可以看出，液位高度10 m且浮盘发生x方向0.1 m位移时，加强板不满焊模型局部薄膜应力为139.862 MPa＜1.5Sm，薄膜应力加弯曲应力为272.226 MPa＜3Sm。

4.3 液位高度15 m

当液位高度为15 m且浮盘分别沿x方向和z方向平移0.1 m时，加强板不满焊模型应力云图见图9和图10。从图9和图10看出，2种工况下加强板与罐底焊缝的最大应力均位于加强板中间矩形孔底部焊缝。

图9 液位高度15 m且浮盘x方向平移0.1 m时加强板应力云图

图10 液位高度15 m且浮盘z方向平移0.1 m时加强板应力云图

按与液位高度5 m时同样的方法建立线性化路径，计算得到的应力线性化结果见表1。从表1可看出，液位高度15 m且浮盘发生x方向0.1 m位移时，加强板不满焊模型的局部薄膜应力为96.326 MPa＜1.5Sm，薄膜应力加弯曲应力为190.300 MPa＜3Sm。

4.4 液位高度20 m

当液位高度为20 m且浮盘分别沿x方向和z方向平移0.1 m时，加强板不满焊模型应力云图见图11和图12。图11和图12同样表明，2种工况下加强板与罐底焊缝的最大应力均位于加强板中间矩形孔底部焊接部位角点处。

图11 液位高度20 m且浮盘x方向平移0.1 m时加强板应力云图

图12 液位高度20 m且浮盘z方向平移0.1 m时加强板应力云图

按与液位高度5 m时同样的方法建立线性化路径，计算得到的应力线性化结果见表1。从表1可以看出，液位高度20 m且浮盘发生x方向0.1 m位移时，加强板不满焊模型局部薄膜应力为66.073 MPa＜1.5Sm，薄膜应力加弯曲应力为132.474 MPa＜3Sm。

5 结语

通过建立浮顶排水系统有限元模型，对某浮顶原油储罐浮顶排水系统底部支座加强板与罐底焊缝的强度问题进行了模拟，计算了不同液位、不同运行工况下排水系统位移和加强板与罐底焊缝应力。计算分析结果表明，①液位高度为5 m且浮盘沿x方向平移0.1 m时，加强板与罐底焊缝的应力最大。当加强板内圈焊缝强度失效后，外圈焊缝强度也会相继失效，造成焊缝撕裂。②加强板与罐底为不满焊时，所计算工况下加强板与罐底焊缝的线性化应力不满足JB/T 4732—1995中的强度要求。

笔者建议，加强板与罐底的焊接应采用满角焊且焊缝圆滑过渡，并对焊缝进行无损检测，以满足相应的检测标准要求。