陳善武，吳新偉

（湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙 410117）

近年來(lái)，我國(guó)先后發(fā)生了汶川、雅安等一系列大地震，對(duì)該地區(qū)的化工設(shè)備造成了嚴(yán)重影響。球形儲(chǔ)罐廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)中，地震不僅導(dǎo)致其使用功能喪失，而且會(huì)導(dǎo)致爆炸、火災(zāi)及環(huán)境污染等災(zāi)難性后果。這些破壞所導(dǎo)致的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)儲(chǔ)罐本身和儲(chǔ)液的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前，國(guó)內(nèi)外科研工作者對(duì)球罐結(jié)構(gòu)抗震和震后修復(fù)的工作做大量工作[1-11]，但對(duì)球罐的震后評(píng)價(jià)做得不多[12]，且由于汶川地震后，全國(guó)的抗震設(shè)防烈度均做了大量調(diào)整，其中成都的部分轄區(qū)地震加速度由0.05g提升到0.1g[13]。本文以某地震后含缺陷球罐進(jìn)行精細(xì)建模，校核其是否滿足現(xiàn)有抗震規(guī)范。

1 球罐的基本參數(shù)及缺陷描述

該球罐為5000m3常溫天然氣儲(chǔ)罐，球罐為1997年法國(guó)原裝進(jìn)口球罐，至今已服役17年。其主體材質(zhì)為ASTM A537Cl，支柱、底板、拉桿等其他附件材質(zhì)為S235JR-NF EN10025，球罐的內(nèi)徑為21220mm，壁厚為29mm，設(shè)計(jì)壓力為1.2MPa。球罐為赤道正切式支撐結(jié)構(gòu)，在球罐赤道處均勻分布著11根φ1000×8薄壁支柱，支柱高程為12615mm。在兩相鄰支柱之間設(shè)有交叉拉桿，拉桿長(zhǎng)為9975mm，直徑為40mm。

球罐的缺陷主要包括球罐支柱沉降，支柱垂直度變化以及球罐中心與支柱擬合中心變化。其中支柱沉降是指支柱自服役以來(lái)，歷年的累計(jì)沉降量，其詳細(xì)參數(shù)表1：

支柱垂直度變化主要是用來(lái)描述支柱的整體傾斜狀況和支柱的橢圓度變化情況。通過(guò)激光掃描儀對(duì)支柱高程逐步掃描來(lái)記錄支柱的垂直度變化，具體描述參數(shù)主要包括徑向支柱垂直度變化和周向垂直度變化，如圖1所示。

表1 球罐支柱基礎(chǔ)沉降量

圖1 支柱變形周向分量及徑向分量計(jì)算示意圖

由于球罐的質(zhì)量基本上集中在球罐上，導(dǎo)致重心高，穩(wěn)定性差。球罐服役多年及近幾年地震頻繁，誤差積累勢(shì)必存在一定的偏移。球罐中心與支柱擬合中心示意圖如下：

圖2 支柱的垂直度變化

圖3 罐體中心與支柱擬合中心的差異

表2 罐體中心坐標(biāo)與支柱擬合罐體中心坐標(biāo)對(duì)比表

通過(guò)對(duì)球罐進(jìn)行以上三個(gè)缺陷精細(xì)描述，真實(shí)地反映整個(gè)球罐的變形，為后續(xù)分析提供必要的數(shù)據(jù)。

2 球罐的有限元計(jì)算

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，有限元方法越來(lái)越成為球形儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)、分析的重要手段。按照本文所描述的球罐基本尺寸和球罐缺陷建立精細(xì)球罐模型幾何模型如圖4(a)，球罐與支柱的連接部位放大圖如圖4(b)，整體球罐的有限元模型如圖5。其中采用8節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)殼單元（SHELL93）對(duì)支柱、底板、球殼進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，采用三維桿單元（LINK8）對(duì)拉桿進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，單元總數(shù)為23741個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為71948個(gè)。

圖4 球罐幾何模型

圖5 球罐有限元模型

考慮到最大風(fēng)速和最高地震級(jí)別同時(shí)出現(xiàn)的可能性很小，按照文獻(xiàn)[14]的有關(guān)規(guī)定，不需要同時(shí)考慮風(fēng)載荷與地震載荷，將地震載荷和風(fēng)載荷視為作用于球殼中心的集中水平載荷，按照水平地震力和水平風(fēng)力組合的最大水平力考慮。同時(shí)又考慮到該球罐儲(chǔ)存物質(zhì)主要為天然氣，故忽略地震時(shí)球罐氣體質(zhì)量晃動(dòng)的影響，因此取球罐操作狀態(tài)下的總重力載荷+操作壓力+25%風(fēng)載+地震載荷工況作為典型工況，對(duì)球罐進(jìn)行力學(xué)性能分析。其中風(fēng)載和地震載荷分別參照文獻(xiàn)[14]第6.4節(jié)和6.5節(jié)計(jì)算選取。

貧窮不是社會(huì)主義，發(fā)展太慢也不是社會(huì)主義。改革開(kāi)放的首要任務(wù)必須是解放和發(fā)展生產(chǎn)力，因而在改革開(kāi)放的過(guò)程中強(qiáng)調(diào)以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為中心很容易被理解和接受。但是，“窗口打開(kāi)了蒼蠅蚊子也會(huì)飛進(jìn)來(lái)”。如何才能在改革開(kāi)放過(guò)程中做到“排污不排外”呢？這是走在改革開(kāi)放前列的廣東和廣州不得不面對(duì)的突出問(wèn)題。在實(shí)踐中，廣州逐步認(rèn)識(shí)到只抓經(jīng)濟(jì)建設(shè)不抓思想文化建設(shè)不行，必須在抓物質(zhì)文明建設(shè)的同時(shí)抓好社會(huì)主義精神文明建設(shè)，要通過(guò)加強(qiáng)自身的文化建設(shè)來(lái)構(gòu)筑“防火墻”，為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供基于價(jià)值共識(shí)和道德判斷的理性支撐。

3 應(yīng)力分析與評(píng)定

對(duì)有限元模型施加邊界條件求解后，對(duì)球殼、支柱及球殼與支柱的連接處分別進(jìn)行校核，看其是否滿足抗震要求。通過(guò)計(jì)算得到其應(yīng)力云圖如圖6所示，最大應(yīng)力為307.363MPa，出現(xiàn)在球體與支柱相連接的a點(diǎn)位置。

圖6 球罐整體及局部應(yīng)力云圖

根據(jù)文獻(xiàn)[15]中關(guān)于結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力的說(shuō)明，由于本次計(jì)算的設(shè)計(jì)載荷為設(shè)計(jì)壓力+風(fēng)荷載+地震載荷，故載荷組合系數(shù)K=1.2，因此，ASTM A537Cl材料的應(yīng)力的許用值為1.5KSm=376.81MPa，S235JR-NF EN10025材料的應(yīng)力的許用值為1.5KSm=259.56MPa，表3給出了球罐在整體變形、基礎(chǔ)沉降和垂直度變化后的應(yīng)力校核。綜合表3和圖6可知，支柱和拉桿的應(yīng)力水平較低，而球體與支柱連接處應(yīng)力水平最高，達(dá)到307.4MPa，但仍滿足球罐的強(qiáng)度要求。對(duì)比不包含球罐缺陷的有限元計(jì)算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，整體變形、基礎(chǔ)沉降和垂直度變化等缺陷對(duì)球罐應(yīng)力有一定影響，但仍小于球罐的許用應(yīng)力，球罐可繼續(xù)正常使用。

表3 不帶缺陷球罐應(yīng)力校核結(jié)果

表4 帶缺陷球罐應(yīng)力校核結(jié)果

4 球罐缺陷的容限分析

由于球罐正值服役“壯年”，后續(xù)還有三十余年的服役期，故球罐缺陷的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)球罐應(yīng)力安全具有重要參考價(jià)值，因此對(duì)球罐缺陷的容限評(píng)估是非常有必要的。容限分析主要考察球罐中心與支柱擬合中心的偏差、支柱垂直度的變化以及支柱沉降三個(gè)因素對(duì)球罐的影響。由于這三類缺陷是采用高程掃描儀逐層掃描得到的，故容限分析的自變量太多，且每一個(gè)自變量之間都存在一定的聯(lián)系，并非完全獨(dú)立的。因?yàn)橹е拇怪倍茸兓嬖谝欢ǖ碾S機(jī)性，尤以支柱垂直度的容限分析最難[16]。球罐的容限分析沒(méi)有唯一解，且全模擬存在一定的困難，故必須提出一定的模型簡(jiǎn)化手段。因此，我們假設(shè)球罐的變化是以現(xiàn)有球罐測(cè)量值等比例變化的，等比例變化系數(shù)為K。并以此提出三個(gè)變量參數(shù)，罐體中心坐標(biāo)與支柱擬合罐體中心坐標(biāo)放大系數(shù)K1、支柱垂直度變化放大系數(shù)K2及支柱沉降放大系數(shù)K3，分別以這三個(gè)參變量做容限分析并分析其結(jié)果，首先分別討論K1、K2、K3三個(gè)參數(shù)對(duì)球罐的應(yīng)力的影響，然后討論K1、K2、K3三個(gè)參數(shù)等比例放大對(duì)球罐的影響，球罐缺陷影響如圖7所示：

圖7 球罐缺陷系數(shù)與球罐最大應(yīng)力的關(guān)系

通過(guò)圖7可知，支柱垂直度變化K2對(duì)球罐的應(yīng)力影響最大，球罐中心與支柱擬合中心K1次之，而支柱整體沉降對(duì)球罐的應(yīng)力影響最小。將球罐變形容限分析參數(shù)K值放在同一比尺下對(duì)比，進(jìn)一步比較球罐應(yīng)力與各容限參數(shù)關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，在球罐整體變形允許的范圍內(nèi)，球殼與支柱擬合中心坐標(biāo)差值和支柱沉降量對(duì)球罐的整體應(yīng)力影響較小。而支柱垂直度變化對(duì)球罐整體應(yīng)力影響很大。單獨(dú)考慮支柱垂直度變化曲線K2和考慮球罐整體結(jié)構(gòu)變化的曲線K1=K2=K3趨勢(shì)相同，但K2曲線比K1=K2=K3曲線高，說(shuō)明球罐的整體變形與球殼中心變化、支柱垂直度變形、支柱沉降之間并不是線性疊加的關(guān)系，需綜合考慮各因素的影響。

5 結(jié)論

（1）支柱垂直度變化對(duì)球罐應(yīng)力影響最大，球罐中心與支柱擬合中心偏差次之，支柱整體沉降對(duì)球罐應(yīng)力影響最小。

（2）在現(xiàn)有缺陷下，該球罐仍處于應(yīng)力安全范圍內(nèi)，如球罐缺陷仍然按此缺陷繼續(xù)等比例發(fā)展，最多能承受現(xiàn)有缺陷值的兩倍。

（3）支柱沉降之間、支柱垂直度變形和球罐中心與支柱擬合中心偏差對(duì)球罐的應(yīng)力影響并不是線性疊加的關(guān)系，而是各缺陷綜合作用下的結(jié)果。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 高紅利，李偉軍，李志海. 多基礎(chǔ)不均勻沉降球罐的應(yīng)力分析[J].壓力容器，2013，30(1)：40-44.

[2] 周蓓蓓，譚蔚，楊培志. 基礎(chǔ)不均勻沉降形式對(duì)球形儲(chǔ)罐支柱受力狀況的影響[J].石油化工設(shè)備，2009，38(4)：12-17.

[3] M.B.Jadhav,R.S.Jangid.Response of base-isolated liquid storage tanks[J].Shock and vibra-tion,2004,11(1)：33-45.

[4] 費(fèi)東輝. 在用球罐的缺陷統(tǒng)計(jì)和分析[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2011.

[5] 李永泰，顧永干，郭春光，等.1000m3液氨球罐地震失效分析[J].壓力容器，2014，(1)：56-61.

[6] M.Jolie,M.M.Hassan,A.A.El Damatty et al.Assessment of current design procedures for conical tanks under seismic loading[J].Canadian Journal of Civil Engineering,2013,40(12)：1151-1163.

[7] 殳宏，許輝庭，王蕓. 球罐基礎(chǔ)沉降差對(duì)支柱穩(wěn)定性影響的分析處理[J].化工裝備技術(shù)，2014，35(1)：26-29.

[8] 趙啟成. 10000m3大型球罐的應(yīng)力分析與評(píng)定[J].科技和產(chǎn)業(yè)，2013，13(4)：122-125.

[9] 王振，吳志平，宮成欣. 1000m3球罐基礎(chǔ)隔震分析[J].油氣田地面工程，2008，27(11)：25-26.

[10] Parametric analysis of liquid storage tanks base isolated by curved surface sliding bearings[J].Soil dynam-ics and earthquake engineering,2010,30(1/2)：21.

[11] Jinfeng Hao,Jianhua Gao,Yang Liu et al.Spectrum analysis of isolated vertical seismic response storage tanks[C].//Progress in Structures.2012：2252-2256.

[12] 李霄龍，翁大根，倪偉波，等. 球形儲(chǔ)罐基于性能的隔震設(shè)計(jì)[J].工程抗震與加固改造，2012，34(2)：54-65.

[13] GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[14] GB 12337-1998，鋼制球形儲(chǔ)罐[S].

[15] JB 4732-1995，鋼制壓力容器?—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（2005年確認(rèn)）[S].

[16] 吳新偉. 震后大型球罐-支撐體系的相關(guān)力學(xué)問(wèn)題研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2015.