萬昊天喻健良焦國棟

（1.大連理工大學，遼寧 大連 116024；2.河南省輕工業(yè)科學研究所有限公司，河南 鄭州 450003）

靜壓下固定頂儲罐弱壁結構保護性能研究

萬昊天1喻健良1焦國棟2

（1.大連理工大學，遼寧 大連 116024；2.河南省輕工業(yè)科學研究所有限公司，河南 鄭州 450003）

針對儲罐弱頂結構保護性能有限的現(xiàn)狀，本文提出一種新型的弱連接結構——弱壁，并設計制造DN 500和DN 3100兩種小尺寸弱壁儲罐。通過試驗手段對弱壁結構作為儲罐弱連接保護結構的可行性進行研究。結果顯示，弱壁結構設置不僅能使儲罐失效時破裂裂口位置從罐底板的大角焊縫處轉移至弱壁焊縫處，還能降低罐底提離的高度，DN 500和DN 3100兩種尺寸的儲罐的罐底提離高度分別降低了18.2%和13.8%。因此，弱壁結構對儲罐有弱連接保護作用。

靜壓；弱壁結構；試驗研究；儲罐安全

近年來，我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，對化石燃料的需求量不斷增加，特別是石油［1］。為了能夠滿足我國自身發(fā)展的需求，建立大型石油儲備庫具有重要的戰(zhàn)略意義。在如此規(guī)模的油氣儲備庫中，大型儲罐的安全問題十分重要。進入21世紀以來，我國石化事故特別是油氣儲罐事故頻發(fā)，且通常伴隨著多米諾效應，給國家造成了巨大的經(jīng)濟損失。

為了在事故蔓延前給救援和處理爭取更多的時間，避免罐區(qū)災害的多米諾效應，儲罐通常被要求削弱罐頂板與包邊角鋼的連接處的焊縫強度，成為弱頂結構［2］。弱頂保護效果是指，當儲罐遭受意外超壓時，破裂失效發(fā)生在頂部弱連接位置而非罐壁或罐底大角焊縫處，這樣既可以防止儲罐整體失效，又可以避免內(nèi)部介質(zhì)外泄引起多米諾效應。

國內(nèi)外針對弱頂結構已經(jīng)開展了很多研究，雖然弱頂結構有很大的優(yōu)勢，但仍有許多問題亟待解決。①弱頂定義不明確，目前國內(nèi)外規(guī)范對于弱頂?shù)亩x存在一定的差異。許蘊博［3］按照國內(nèi)外不同規(guī)范對四種不同體積的大型儲罐進行常規(guī)設計，發(fā)現(xiàn)只有根據(jù)SH 3046［4］設計的儲罐參數(shù)滿足弱頂結構的定義，而GB 50341［5］和API 650［6］均不滿足。②弱頂保護作用不理想。國內(nèi)外標準定義不一導致弱連接結構不易達到，即使設計參數(shù)滿足弱頂要求，某些工況下弱頂對儲罐的保護作用并不理想。對2萬m3拱頂儲罐的研究發(fā)現(xiàn)，當拱頂曲率半徑小于儲罐直徑時，特別在滿載工況下，弱頂結構并不具有弱頂保護作用。③研究手段單一，研究內(nèi)容有限。限于真實儲罐尺寸大，結構比較復雜，制造成本過高，目前國內(nèi)外主要通過有限元分析對弱頂儲罐進行研究［7-9］，研究內(nèi)容集中在幾種工況（空載、半載和滿載）下，靜載荷作用對弱頂儲罐失效形式的影響，并對弱頂結構進行評價。研究手段局限于理論分析和有限元模擬，試驗研究幾乎沒有。

表1 試驗儲罐幾何參數(shù)

通過對上述現(xiàn)狀的分析，本文對弱頂結構進行了一些改進，提出另一種弱連接結構——弱壁結構。并通過試驗方法研究靜壓下弱壁結構對儲罐的保護性能，重點觀察和分析弱壁儲罐失效破壞裂口的出現(xiàn)位置，更加客觀地評價弱壁結構作為儲罐安全設計技術的可行性。

1 試驗設備與流程

靜壓（或物理超壓）是儲罐等化工容器經(jīng)常面臨的工況，也是有可能使儲罐發(fā)生危險的最常見工況。為了驗證弱壁結構對儲罐的保護性能，本文通過試驗，對比研究DN 500和DN 3100的常規(guī)儲罐和弱壁儲罐在靜壓作用下失效破裂位置和罐底提離高度。

1.1 弱壁結構設計

弱壁結構形式如圖1所示。該結構位于頂部包邊角鋼下方的罐體壁面，人為地將該處罐體壁面分為兩部分，并用尺寸更小的角鋼進行焊接連接。弱壁角鋼與上壁面進行搭接連接，弱壁角鋼與搭接角鋼的焊接焊縫稱為弱壁焊縫。

圖1 弱壁結構與弱頂結構

本文所設計的小尺寸儲罐幾何參數(shù)如表1所示。相比弱頂結構，弱壁結構的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩點。一是易于設計。弱壁處可以用尺寸更小的角鋼。不僅可以減小有效連接處的有效連接面積，還可以降低焊角高度，使弱連接處焊縫強度更弱。二是儲罐承壓能力不會再因弱連接的限制而降低。由于弱連接位置的改變，儲罐設計對儲罐罐頂板曲率半徑和連接處罐頂板坡度等的要求降低。

1.2 試驗流程

試驗流程如圖2所示。試驗通過加壓泵向罐內(nèi)加壓直至儲罐破裂，罐頂安裝壓力傳感器記錄儲罐內(nèi)部壓力。罐頂焊縫、弱壁焊縫和底部焊縫均貼有應變片，能夠記錄加壓過程中焊縫處的應變情況。試驗結束后測量罐底邊緣提離高度，并觀察和分析裂口位置。試驗所需設備及參數(shù)見表2。

圖2 試驗流程圖

表2 主要試驗設備及其參數(shù)

2 試驗結果與分析

2.1 儲罐加壓過程分析

相比DN 500儲罐，DN 3100儲罐尺寸更大，加壓過程中變形更加明顯，因此本文以DN 3100儲罐為例對試驗中儲罐的加壓過程進行分析。

2.1.1 DN 3100常規(guī)儲罐。按照罐內(nèi)壓力與罐體變形的情況，常規(guī)儲罐的物理超壓試驗過程可分為4個階段，如圖3（a）所示：①穩(wěn)壓變形階段，如圖3（a）中的2～7min，該階段中罐底不斷膨脹提離，導致儲罐體積增大，因此罐內(nèi)壓力無明顯變化；②快速升壓階段，如圖3（a）中的8～14min，隨著液態(tài)水壓力不斷增加，罐底膨脹速度減緩，但罐內(nèi)壓力快速增加；③壓力波動階段，如圖3（a）中的14～19min，此階段中頂部壓力繼續(xù)上升，罐底板邊緣一次出現(xiàn)3個屈曲坑，屈曲坑的出現(xiàn)會引起儲罐體積發(fā)生變化，所以罐內(nèi)壓力有3次先減小后增加的波動；④焊縫破裂，第19分49秒罐底焊縫達到強度極限，發(fā)生失效破裂，此時儲罐內(nèi)壓為78kPa。

2.1.2 DN 3100弱壁儲罐。按照罐內(nèi)壓力與罐體變形的情況，弱壁儲罐的物理超壓試驗只有3個階段：如圖3（b）所示：①快速升壓階段，如圖3（b）中的1～31min，此階段中罐內(nèi)壓力快速上升，罐底提離緩慢發(fā)生，且提離高度小于常規(guī)儲罐；②壓力波動階段，如圖3（b）中的31～43min，此階段與常規(guī)罐類似，罐內(nèi)壓力繼續(xù)上升，罐底板一次出現(xiàn)3個屈曲坑，導致壓力出現(xiàn)三次波動；③焊縫破裂，第48分鐘儲罐弱壁焊縫達到強度極限，發(fā)生失效破裂。

圖3 DN 3100儲罐拱頂壓力變化曲線

由于弱壁結構的設置減少了罐底板的變形程度，而其自身的變形貫穿整個加壓過程，因此弱壁儲罐在加壓過程中并無穩(wěn)壓變形階段。

2.2 罐底提離高度

試驗后在罐底外側一周選擇4個測點對罐底板邊緣的提離高度進行測量并計算平均值，測量結果見表3。由表3可知，DN 500常規(guī)儲罐的周向4個測點的平均提離高度為39.75mm，而弱壁儲罐平均提離高度只有32.5mm，降低了18.24%。DN 3100常規(guī)儲罐和弱壁儲罐的測量平均值分別為175.25mm和151mm，相比之下，降低了13.8%。

表3 罐底提離高度（mm）

對小尺寸儲罐，弱壁結構的設置能夠降低罐底的提離距離，減少罐底板處的應力集中，但降低的程度隨著儲罐體積的增大有所減小。

2.3 儲罐失效破裂位置

圖4顯示的是儲罐在內(nèi)壓作用下變形情況和失效破裂位置。加壓后，DN 500常規(guī)儲罐底部發(fā)生明顯提離，如圖4（a）所示，罐內(nèi)壓力達到5.2MPa時在底部大角焊縫處發(fā)生破裂；DN 500弱壁儲罐底部提離不如常規(guī)儲罐明顯，儲罐內(nèi)部壓力達到4.2MPa時，儲罐弱壁及拱頂結構整體被掀起，弱壁處氬弧焊縫部位被整齊撕開，如圖4（b）所示，破裂時伴隨有類似爆炸的強烈聲響。

DN 3100常規(guī)罐加壓后罐體明顯發(fā)生鼓脹，罐底還伴有屈曲坑的出現(xiàn)，最終在拱頂壓力到達78kPa時底部屈曲坑處焊縫破裂，如圖4（c）所示；DN 3100弱壁儲罐加壓后罐體鼓脹和罐底提離程度不如常規(guī)儲罐，但罐底也出現(xiàn)了3個屈曲坑，最終在壓力70kPa時在弱壁結構處發(fā)生失效破裂，如圖4（d）所示。

從表4中可以看出，弱壁結構的設置使小尺寸儲罐在內(nèi)壓作用下失效破裂位置由原來的罐底大角焊縫轉移至弱壁結構處的弱壁焊縫。相同焊角高度的情況下，弱壁結構還可以降低儲罐的失效壓力，保證儲罐在弱壁連接部分發(fā)生破壞，防止內(nèi)部介質(zhì)向外泄漏。

表4 儲罐破裂位置和壓力

3 結論

通過試驗研究的方法對弱壁結構在靜壓下對儲罐的弱連接保護性能的可行性進行了研究，并對儲罐失效裂口位置和罐底提離距離進行了分析和討論，得出以下結論。

圖4 儲罐變形與破裂位置示意圖

①弱壁結構的設置使弱壁儲罐的加壓過程比常規(guī)儲罐少了一個穩(wěn)壓變形階段。但兩種儲罐在加壓后期由于屈曲坑的出現(xiàn)，都有明顯的壓力波動。

②對于小尺寸的固定頂儲罐，弱壁結構的設置能夠使儲罐在靜壓作用下失效時破裂裂口位置由罐底大角焊縫轉移至弱壁焊縫。

③相同焊角高度的情況下，弱壁儲罐的破裂壓力略低于常規(guī)儲罐的破裂壓力。

④弱壁結構的設置能夠降低罐底提離的高度，DN 500和DN 3100兩種尺寸的儲罐降低的幅度分別為18.2%和13.8%，而且降低幅度隨著儲罐內(nèi)徑的增大而減小。

⑤對小尺寸儲罐，弱壁結構具有良好的弱連接保護效果，它的設置能夠保證儲罐在遭受意外超壓時在弱壁連接處發(fā)生破壞，防止內(nèi)部介質(zhì)向外泄漏，避免罐區(qū)事故的多米諾效應。

［1］錢興坤，姜學峰.2014年國內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展概述及2015年展望［J］.國際石油經(jīng)濟，2015（1）：35-43.

［2］Wu TY，Liu GR.Comparison of design methods of a tankbottom annular Plate and correct ring-wall International［J］.Journal of pressure vessels and Piping，2000（9）：511-517.

［3］許蘊博.103～104m3立式拱頂儲罐結構應力分析與弱頂結構評價［D］.大慶：東北石油大學，2011.

［4］中國石油化工總公司.SH 3046-1992.石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲罐設計規(guī)范［S］.北京：中國石化出版社，1992.

［5］中國石油天然氣集團公司.GB 50341-2014.立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2015.

［6］American Petroleum Institute.API 650-2009，Welded Steel Tanks for Oil Storage［S/OL］.[2017-04-01].http://www.doc88. com/p-9979569369509.html.

［7］于清，王一軍，許躍新，等.大型儲罐設計技術的發(fā)展［J］.新疆石油天然氣，2006（4）：73-75，92，103.

［8］ZP Chen，YY Duan，JL Jiang.A simplified method for calculating the stress of large oil storage tank wall［J］.IMechE Part E：J.Process Mechanical Engineering，2007（3）：119-127.

［9］吳龍平，明斐卿，羅麗華，等.國內(nèi)外大型儲罐的設計標準對比［J］.油氣儲運，2010（12）：933-936.

Study of Weak Wall Structure of Fixed Roof Storage Tank under Static Pressure

Wan Haotian1Yu Jianliang1Jiao Guodong2
（1.Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024；2.Henan Light Industry Scientific Research Institute Co.,Ltd.，Zhengzhou Henan 450003）

A new kind of weak link,weak wall structure was designed in order to enhance the limited protection offered by weak roof structure.Two different sizes of weak wall storage tanks were manufactured and were used to study the protecting feasibility through experiments.The results showed that the weak wall structure could not only change the location of crevasse from bottom welded line to weak wall welded line,but also decrease the uplifting height of the bottom board rim.It decreased by 18.2%in DN 500 experiments and 13.8%in DN 3100 experiments.It means that weak wall structure could protect storage tanks from Dominic Effect effectively.

static pressure；weak wall；experimental study；tank safety

TE972

A

1003-5168（2017）05-0071-04

2017-04-15

萬昊天（1990-），男，碩士，助理工程師，研究方向：化工安全與評估，機械與過程控制。