固定顶储罐弱壁防护结构设计及优化研究

摘要

近年来我国重大油气储罐安全事故频发，并常伴随着储罐区事故的多米诺效应。为了减小人员和财产损失，工程中通常把储罐设计成弱顶结构。但我国广泛使用的拱顶储罐由于其自限性而不具有足够弱顶保护效果，所以对带弱连接结构的固定顶储罐进行安全性研究及优化设计具有重要意义。
　　本文总结了弱顶储罐的研究现状，针对弱顶结构在定义、设计和保护性三个方面存在的问题，提出一种新的弱连接形式——弱壁结构。设计了不同直径的弱壁储罐用于开展弱壁结构在物理超压及燃爆超压下有效性试验研究，还通过数值模拟技术优化了大尺寸储罐的弱壁设计准则。本文主要内容及结论如下:
　　(1)通过理论分析和计算，提出了弱壁结构。设计了4种不同体积的弱壁储罐，并对焊缝连接强度进行了实验验证。结果表明，焊缝高度越低，焊缝强度越小，越容易实现弱连接。
　　(2)以液压油为介质，开展了DN1000弱壁储罐在物理超压下的破裂试验。试验中，当罐内压力达到321 kPa时，弱壁处焊缝破裂，罐顶和罐底其余焊缝未破裂，罐底微鼓，罐体发生提离，底部边缘平均提离高度为35.1 mm。弱壁焊缝先于其他焊缝破裂证明弱壁结构能够起到弱连接保护效果。
　　(3)以水为介质，对比开展了DN3100常规储罐和弱壁储罐的物理超压破裂试验。结果表明，随着罐内压力的增加，储罐底板逐渐拱起，罐体逐渐提离升高。常压储罐在罐内压力升至78kPa时底部大角焊缝破裂，其他焊缝未破裂，罐体底部平均上升高度为175.25mm。弱壁储罐在罐内压力升至70kPa时弱壁处焊缝破裂，罐体底部平均上升高度为151.6 mm。储罐破裂位置证明，弱壁结构能够起到弱连接保护效果。
　　(4)采用C2H2/Air预混气体，研究了常规储罐（无弱壁无浮盘）、弱壁无浮盘储罐和弱壁浮盘储罐在爆燃超压下的破裂行为。结果表明，常规储罐在罐内爆燃超压达到4.2MPa，但罐体只发生膨胀变形，并未破裂。弱壁无浮盘储罐破裂位置在弱壁焊缝处，破裂压力3.1 MPa。弱壁浮盘储罐最先破裂位置在弱壁焊缝处，破裂压力3.5 MPa，浮盘的存在对弱壁防护效果无影响，但爆炸压力有所增加。弱壁储罐试验中，弱壁焊缝均先于其他焊缝破裂，说明弱壁结构在爆燃超压下依然能够起到弱连接保护效果。
　　(5)以ANSYS为平台，选择SOLID185单元模拟罐体及焊缝等连接处，CONTA173与TARGE170接触对单元模拟储罐与地基，并考虑重力的影响，建立了弱壁储罐的三维有限元模型。
　　(6)对比DN1000弱壁储罐的模拟和试验结果发现:在罐底提离高度方面，两者的误差不到8％，而储罐弱壁焊缝的环向应变方面，平均误差只有6.43％。对比结果证明，模型有足够精度。
　　(7)以验证过的有限元模型为基础，模拟研究了3000 m3储罐上弱壁结构的形式和设置位置对弱壁保护性能的影响。研究发现，弱壁结构能够使应力强度最大值出现在弱壁焊缝处，并增大应力强度的大小，同时还能使该值在危险路径上一次局部薄膜应力加一次弯曲应力的应力强度平均值SⅢ'有所增加。
　　(8)大尺寸弱壁储罐优化设计模拟研究结果证明，弱壁结构能改变储罐的应力分布改变，缓解底部焊缝的应力集中。但弱壁结构只有设置在合适的位置，拥有合适的焊角高度时，才能对储罐起到弱连接保护作用。

目录

声明

摘要

引言

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 工业储罐及其研究现状

1．2．1 储罐的设计规范

1．2．2 储罐失效破坏的主要形式

1．2．3 储罐的研究现状

1．3 储罐超压防护与弱连接结构

1．3．1 储罐超压及其防护措施

1．3．2 弱连接结构定义与评定

1．4 本文的主要内容和技术路线

1．4．1 主要内容

1．4．2 技术路线

2 储罐弱壁防护设计计算

2．1 弱壁防护结构设计

2．1．1 弱项结构设计缺陷

2．1．2 弱壁结构设计

2．1．3 弱壁结构储罐研究方法选择

2．2 弱壁储罐设计

2．2．1 DN 500储罐

2．2．2 DN 1000储罐

2．2．3 DN 3100储罐

2．2．4 3000 m3储罐

2．3 焊缝强度测试试验

2．3．1 制造与焊接

2．3．2 焊缝强度测试试验

2．4 本章小结

3 物理超压下储罐弱壁防护设计有效性的试验研究

3．1 DN 1000弱壁储罐油压试验

3．1．1 试验方案

3．1．2 试验结果与分析

3．2 DN 3100储罐水压试验

3．2．1 试验方案

3．2．2 常规储罐试验结果与分析

3．2．3 弱壁储罐试验结果与分析

3．3 本章小结

4 爆燃超压下储罐弱壁防护设计有效性的试验研究

4．1 试验装置与方案

4．1．1 试验场地与防护措施

4．1．2 试验装置与流程

4．1．3 试验仪器与设备

4．1．4 试验方案

4．2 试验结果与分析

4．2．1 常规无浮盘储罐中部点火试验结果

4．2．2 弱壁无浮盘储罐中部点火试验结果

4．2．3 弱壁带浮盘储罐中部点火试验结果

4．2．4 弱壁带浮盘储罐底部点火试验结果

4．2．5 试验对比与总结

4．3 本章小结

5 弱壁储罐分析有限元模型建立与验证

5．1 有限元模型建立

5．1．1 物理模型建立

5．1．2 单元选择

5．1．3 材料性能参数

5．1．4 网格划分

5．1．5 边界条件

5．1．6 施加载荷

5．2 有限元模型验证

5．2．1 可靠性验证

5．2．2 精度验证

5．3 本章小结

6 大尺寸弱壁储罐优化设计模拟研究

6．1 应力评定准则

6．1．1 点处理法

6．1．2 线处理法

6．1．3 本文研究评定准则选择

6．2 优化设计方案

6．2．1 大尺寸弱壁储罐有限元模型建立

6．2．2 优化参数选择

6．2．3 目标参数选择

6．3 弱壁结构位置优化结果分析

6．3．1 弱壁位置对应力分布的影响

6．3．2 弱壁位置对罐底提离高度的影响

6．3．3 危险路径应力评价和强度比

6．3．4 弱壁结构位置优化设计准则

6．4 弱壁结构形式优化结果分析

6．4．1 弱壁结构形式对应力分布的影响

6．4．2 弱壁结构形式对罐底提离高度的影响

6．4．3 危险路径应力评价和强度比

6．4．4 弱壁结构形式优化设计准则

6．5 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢