航煤用单面倾斜底立式储罐罐底局部结构特性研究

2022-05-25王成杰

化工机械 2022年2期

王成杰刘硕张健

（1.中国航空油料有限责任公司；2.中国科学院力学研究所）

自20 世纪末，民航燃料收发系统中已逐渐采用倒锥底立式储罐（以下简称锥底罐），该罐罐底呈倒锥形（坡度大于0.040），锥底中心设置集油槽。相对于平底罐，锥底罐可消除微生物滋生环境、便于清洗作业且能削弱电化腐蚀条件［1,2］。然而，在近年来的应用中，发现锥底罐存在3 个弊端：集油槽位于罐底正中，需定期人工作业辅助排污；需较高的环墙容纳集油槽和下部排污结构，不利于储罐稳定性；罐底与罐壁连接的角焊缝为钝角，反复收发航煤的作业可能造成疲劳破坏。在新的航煤储罐建设中，需考虑以上问题，调整罐底结构设计，改善储罐的排污特性。

单面倾斜底立式储罐（以下简称倾斜底罐）不失为一种理想选择，该储罐是一种平底罐，底板单向倾斜［2］，相对于锥底罐具有2 个优势：集油槽在低点侧布置，可有效降低环墙高度；罐内清洗作业便利，不需设置清扫孔。然而，罐底特殊的结构形式会导致罐壁建造稍显复杂［3］，而相关规范和行业标准的设计建造的规定较为模糊［4～7］。为此，需探究该储罐罐底及其周围区域的力学特性，以指导倾斜底罐的设计和建造。

储罐属大型结构，一般通过在位测试或模型测试评估其力学性能。例如，Gusev G N 和Shardakov I N 采用应变传感器监测极端环境下储罐的应力应变状况［8］；徐景锋采用模型试验的方式，通过振动台对储罐子结构输入地震波，研究储罐抗震性能［9］。随着计算机硬件的发展，更多学者通过数值模拟评估储罐的力学性能。例如，周忠贺等构建了500 m3容积储罐的三维网格模型，通过有限元法分析平底立式储罐在不同工况下的应力分布，发现应对人孔附近的底板进行修复或补强［10］，牛铮等通过有限元法对三通道储罐内部T 型钢加强筋的布置方案进行了优化筛选［11］；张雪铭通过有限元软件ANSYS 分析储罐的焊脚形式和结构参数对大角焊缝处应力强度峰值的影响，提出相关结构参数的选择原则［12］。据此，笔者将通过数值模拟方法构建倾斜底罐的三维模型，同时开展原尺度子模型的测试验证，研究罐底局部力学特性，为该种储罐应用于航煤储运提供理论参考。

1 角焊缝局部强度测试

1.1 试件与测试

选取倾斜底罐高点的大角焊缝和周围罐壁-罐底结构，按照10 000 m3的储罐，加工测试试件，其长宽均为1.0 m、高0.8 m，焊缝等的尺寸按照SH 3046—1992 《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》选取，罐底坡度取0.020。

如图1a 所示，依靠螺栓连接将罐底边缘板固定于测试平台上，通过强力弹簧连接测试平台与罐壁来模拟上部罐壁对壁板的作用；如图1b所示，在试件的内/外壁板和罐底边缘版的不同位置布置应变监测点。通过千斤顶推动罐壁加载（罐壁变形范围为0～23 mm），并由测力计（与千斤顶相连）测试其值。测试时，采用应变监测传感器测试监测点的应变变化，激光对准仪和刻度尺测量罐壁的水平变形。

图1 试验测试系统

1.2 数值模拟

在ANSYS 软件平台中建立与试验加载试件一致的数值分析模型。如图2 所示，三维模型模拟储罐壁板和罐底边缘板的局部区域，其中角焊缝部分与试件一致，并用平面单元模拟支撑试件的框架。边界条件为模型与约束平面做接触处理。同时，三维模型上对应的螺栓固定点被约束所有自由度，且完全相同于试件在框架上的固定方式。有限元模型加载方式为在壁板施加指向储罐外侧的位移，与试验中试件的加载方式一致（根据试验数据，施加22 mm 水平位移的加载量）。

图2 测试试件的有限元模型

1.3 测试结果与模拟结果对比

罐壁内部施加22 mm 水平位移的加载量后,重点关注试件中心附近监测点应力和应变分布状况。图3a 为试件应力分布云图，高应力区域出现于大角焊缝焊趾处，高应力由螺栓约束所致。图3b 为各监测点的测试应变和模拟应变的结果对比，两者在幅值和变化趋势上较为相符（尽管存在误差，但对整体趋势的影响可以忽略不计），其中最大应变不超过1200×10-6，说明试件中重点研究部分处于线弹性区间。同时证明，基于有限元法的数值模拟可以用于研究倾斜底罐局部力学特性。

图3 测试与模拟结果对比

2 两储罐大角焊缝力学特性分析

2.1 模型建立

倾斜底罐与锥底罐的不同点在于罐底-罐壁连接处的大角焊缝张角并非固定不变。在倾斜底罐高点时，大角焊缝张角为钝角；在倾斜底罐低点时，大角焊缝张角为锐角。角度不同可能会引发角焊缝附近应力分布不同。为此，在有限元模拟可靠性的基础上，采用有限元法对比分析锥底罐和倾斜底罐大角焊缝的力学特性。

以10 000 m3储罐为例，依据API 650 附录A2 中推荐的储罐规格确定其结构参数为：

直径 42.0 m

高度 7.2 m

筒节数 4

罐壁厚度 11.5 mm

罐底边缘板厚度 6 mm

角焊缝尺寸 6 mm

罐底坡度 0.350

建立锥底罐和倾斜底罐有限元模型（图4）。模型中包含储罐罐体、混凝土环墙和环墙内部回填材料，这三者的实体采用Solid45 单元，罐底-基础、环墙-回填材料间的接触采用Targe170-Conta174 接触对。倾斜底罐模型共包含147 562 个节点、123 680 个单元，锥底罐模型共包含152 814个节点、121 800 个单元。储罐罐体的钢材（Q235-B 型）采用双线性本构关系模拟，其屈服强度为235 MPa，弹性模量为206 GPa；回填材料通过Drucker-Prager 本构关系模拟。

图4 两储罐罐体有限元模型

模型约束方面，基础和回填材料底面约束所有自由度，环墙侧面约束水平方向的平动自由度。基础、回填材料与储罐底板间的相对滑动摩擦因子为0.7。模型加载方面，两个模型均受竖直向下的重力作用。同时，针对满罐和罐内液位高度为7.2 m 两种情况，对罐壁和罐底产生静水压力，对储罐内壁产生指向罐外的面载荷，载荷大小与距离自由液面的距离成正比；对储罐罐底产生向下的面载荷，大小同样与液位深度成正比。据此，对模型开展静力分析，求解角焊缝局部受力状况。

2.2 大角焊缝力学特性对比

锥底罐和倾斜底罐大角焊缝应力分布如图5所示。由图5 可见，在满罐条件下两储罐局部应力峰值（前者明显高于后者）均出现在罐壁-罐底大角焊缝附近，且在罐底板一侧的角焊缝焊趾上。原因为：罐壁和罐顶的重量通过角焊缝传递到底板，罐壁承受静水压力形成的力矩，底板承受向下的载荷，三者共同作用造成角焊缝附近出现明显的应力集中；罐底边缘板的厚度小于罐壁，会产生较大协调变形，造成底板一侧出现应力峰值。

图5 两储罐的大角焊缝应力分布

相同的规格和工况下，两储罐大角焊缝圆周方向的应力峰值如图6 所示。由图6 可见，锥底罐的应力峰值维持在230 MPa 左右，而倾斜底罐的介于180～200 MPa 间，明显小于锥底罐，这是由于高程差与罐底-罐壁夹角共同作用所致的结果。在倾斜底罐的高点，液位深度小于锥底罐，储罐内液产生的压力小于锥底罐，虽然内侧的壁板-罐底边缘板夹角为钝角，但是较低的压力水平使得该点的应力峰值小于锥底罐；在倾斜底罐的低点，液位深度与锥底罐相差不大，罐内测壁板-罐底边缘板夹角为锐角，受力状况优于锥底罐的钝角大角焊缝，使得倾斜底罐低点处的应力峰值仍小于锥底罐；其他位置的受力状况则介于高点和低点之间。因此，从以上分析中可以得出倾斜底罐的大角焊缝受力特性优于锥底罐。

图6 两储罐大角焊缝圆周方向的应力峰值对比

3 倾斜底罐罐底局部力学特性分析

3.1 模型建立

为探究倾斜底罐罐底及其周边局部力学特性，以航煤用20 000 m3储罐为例，建立三维实体有限元模型进行数值模拟。为结合国内生产实际，储罐规格依据SH 3046—1992《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》选取，其结构参数为：

直径 42.0 m

高度 17.0 m

筒节数 4

罐壁厚度 23、21、19、17、14、11、9、9、9 mm

罐底边缘板厚度 9 mm

罐底中幅板厚度 7 mm

角焊缝尺寸 12（罐外）、16（罐内） mm

罐底坡度 0.020

根据上述参数构建储罐有限元模型（图7）。模型中包含罐体、混凝土环墙和基础回填材料。本研究主要涉及罐底及其周边结构，需要适当简化罐壁上部、罐顶及其附属结构。采用Solid45 单元构建三维实体，通过Targe170-Conta174 单元接触对模拟罐底、基础和环墙间的相互作用。储罐模型共包含178 240 个单元。罐体的钢材（16MnR）采用双线性本构关系模拟，其屈服强度为345 MPa，弹性模量为206 GPa；回填材料通过Drucker-Prager 本构关系模拟。

图7 储罐三维实体有限元模型

边界条件设置：约束环墙和回填材料底面全部自由度，约束环墙侧面的水平自由度。加载工况设置空罐和满罐两个工况：空罐为整个模型在自重作用下的受力分析；满罐为储罐内部航煤达到设计液位时的储罐受力分析。通过面载荷模拟航煤液位对罐壁的压力。据此进行静力分析，求解储罐受力分布状况。

3.2 罐壁应力分布规律

图8 所示倾斜底罐低点和高点的罐壁应力沿高程变化曲线，其中并未包含底部大角焊缝局部的应力峰值。由图8 可见，空罐时的罐壁应力水平远小于满罐；满罐时的罐壁应力水平随着离近罐底逐渐增加，在距离罐底1 m 左右的位置出现峰值后急剧下降。这是由于满罐工况下，靠近罐底板的液体压力较大。但在罐壁-罐底大角焊缝处，由于底板和角焊缝的加强作用，局部刚度较大，难以产生较大变形。而在靠近底板的罐壁处，液压载荷较大，同时罐壁的刚度远小于大角焊缝附近区域，会产生较大变形，形成应力峰值。进一步对比还可发现，低点一侧的罐壁应力峰值略大于高点一侧，这是由液位差导致。同时，低点一侧底板和高点一侧应力峰值的高程差约为1.9 m，为保证储罐强度，第1 筒节与第2 筒节间的焊缝不宜在这一区间内。为此，应适当增加筒节高度以补强储罐强度。

图8 储罐罐壁应力沿高程变化曲线

3.3 大角焊缝局部力学特性

不同工况下，储罐低点和高点的大角焊缝应力分布如图9 所示。

由图9 可见，大角焊缝附近应力较高的区域为罐壁内罐底一侧的角焊缝焊趾。这是由于第1筒节罐壁厚度大于罐底边缘板厚度，且大角焊缝又位于罐壁一侧，因此高应力出现于内部罐底边缘板区域。另外，空罐工况下，大角焊缝应力峰值水平很低，不超过40 MPa；满罐工况下，大角焊缝应力峰值虽有所增高，但总体未超过157 MPa，远小于16MnR 钢材的许用应力345 MPa。

图9 不同工况储罐低点和高点的大角焊缝应力分布

以圆周角为x 轴，以两工况时的大角焊缝应力峰值为y 轴，形成图10。由图10 可见，空罐时整个圆周上大角焊缝的应力峰值不超过50 MPa，且圆周位置变化不大；满罐时圆周上大角焊缝的应力峰值不超过160 MPa。应力峰值最大的点在周向110～120°区间内，这与储罐整体几何特征和罐底-回填材料相互作用有关。另外，储罐大角焊缝的应力峰值远小于钢材本身的屈服强度345 MPa。