某原油储罐应力及风险评价分析

摘要： 针对某油库 6#储罐，采用 ANSYS 建立有限元模型，对其罐壁板单元进行网格划分，对比分析了满载时罐体未变形及变形两种情况的应力分布，通过变形罐体的应力云图可以看出该储罐罐体已经产生变形，且局部变形比较严重。变形前后应力数据显示罐体多处已经处在材料屈服极限范围内，甚至接近于屈服极限上限 290Mpa，具有一定危险。因此应及时检测其它储罐并采取相应措施防止罐体出现较大变形，以免影响油罐安全运行。

关键词：油罐；有限元分析；应力分布；屈服极限；安全

前言

原油储罐一般用来储存油品烃类等易燃易爆的液态介质，且储罐事故极易引起爆炸火灾等灾害，一旦发生事故，将会造成环境污染及重大的经济损失，甚至威胁到人民的生命。特别是现今大型超大型储罐的日益增多，灾害事故更不堪设想。同时，随着油库中原油和成品油储罐长时间运行，会伴随出现罐壁变形、罐底壁板腐蚀等问题，严重影响油库的安全运行，因此，对原油储罐应力及风险进行评价分析， 对油库的安全运行有着重要意义[1]。

根据储罐破坏因素一般对储罐展开两个方面的研究，分别是静力、动力特性研究。静力特性理论研究上，对储罐底板应力的计算主要有 3 种方法，分别为 1968 年 DENHAM 等提出的刚性地基梁法[2]，1978 年中科院力学所的李国深法[3]，及 1996 年吴天云等提出的刚性一弹性地基梁藕合法[4-5] 。随着有限元理论的日益完善， ANSYS、ABAQUS 和 ADINA 等大量有限元数值模拟软件日趋成熟， 相比理论方法，有限元法更能灵活地展现结构的整体变形状态及结构的应力分布情况。

16#油罐检测情况

通过监测数据及声波检测发现罐壁板有较大变形，罐底板有轻微腐蚀，但没有关于油罐裂纹的检测结果；因此应确定该罐的具体应力分布状况，评价油罐罐体的变形对油罐强度的影响。

1.1储罐模型基本假设

结合工程实际情况，相应地作出如下简化和假设[6]：

（1）罐体為线弹性材料；（2）地基土体为非线性的、均质弹塑性模型的介质；（3）采用一次性充满水施加水压荷载；（4）计算不计地基土固结。

1.2模型荷载

有限元模型的荷载包括边界条件和作用力的函数[7]。这里研究的静载下储罐模型仅涉及到表面荷载和 DOF 约束：

（1）表面荷载

（2）DOF 约束

储罐模型采用的 DOF 约束条件：地基模型上边界除与储罐接触的部分为地表，定义为自由边界，不予约束；储罐模型的左边界定义为对称约束边界；地基模型的右边界定义为单约束边界；地基模型的下边界认为是支撑在基岩或硬土上，限制竖向位移，但对侧向无约束。

2建立有限元模型

采用有限元软件ANSYS 建立油罐的有限元模型。

（1）载荷条件

储罐所承受的载荷为罐体自重和充满原油的静压作用。充液高度为 20400mm，原油的密度为 0.8510-5N/mm3，原油的静压力呈三角形分布，由上到下逐渐增大，最底部的液体静压力为 0.1734MPa。

（2）网格处理

对于罐壁板，采用壳体单元，进行网格划分。分别计算储罐满载时罐体未变形与罐体变形两种情况的应力分布，并进行对比。

36#罐体应力分布

未变形罐体为理想圆筒，罐壁各处的应力与环向位置无关，仅与高度有关，从上到下，罐壁上的应力越来越大，最大应力为 260MPa。

参照同类油罐的设计资料，罐壁材料的许用应力取 260～290Mpa，则最大应力小于罐壁材料的许用应力。通过变形罐体的应力云图可以看成出，罐体变形后，罐体的形状发生了不规则变化，使管壁的受力状况恶化，由于罐壁的变形，罐壁上的应力分布极不均匀。其中罐体变形后的最大应力位于罐体有限元模型中的节点 1185 处，具体位置为正西方，距地面高为7.2m，其Mises等效应力值为293MPa，和罐体材料的屈服极限的上限持平，而该处在未变形前的等效应力值为210Mpa，增大了 39.5%，该处的应力分布云图见图 4。

4结论与建议

针对某油库 6#储罐，采用 ANSYS 建立有限元模型，对比分析了满载时罐体未变形及变形两种情况的应力分布，通过变形罐体的应力云图可以看出该储罐罐体已经产生变形，且局部变形比较严重。变形前后应力数据显示罐体多出已经超过 260MPa，处在材料屈服极限范围内，甚至接近于屈服极限上限 290Mpa，具有一定危险。因此应及时检测其它储罐并采取相应措施防止罐体出现较大变形，影响油罐的安全运行。

参考文献：

[1] 孙新宇，李晓明，彭仁海等.油罐安全运行与管理[M].北京：中国石化出版社，2005.

[2] 武铜柱.大型立式油罐发展综述[J].石油化工设备技术，2004，25（3）：56-59.

[3] 潘家华，国光臣，高锡祺.油管及管道强度设计[M].北京：中国石化出版社，2005.

[4] J.B.Denham，J Russell，C M R Wills. How to Design a 600， 000-Bbl.Tank.HydrocarbonProcessing，1968，47（5）：137-142.

[5] 李国深.大型变截面圆柱罐壁和罐底的应力分析[J].力学与实践，1979，1（4）：38-41.

[6] 吴天云.油罐应力分析的新方法及其计算验证[J].石油化上设备，1997，26（5）：15-19.

[7]傅强，陈志平，郑津洋.弹性基础上大型石油储罐的应力分析[J].化工机械，2002，29（4）：210-213.

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