基础不均匀沉降球罐应力测试分析

在石化行业中，有许多的存储设备，而球罐在其中运用得较为广泛。由于地基基础结构以及安装工序和手法存在差异性，所以在将球罐使用一段时间后，经常会发生设施的不均匀沉降以及支柱倾斜等。而这些问题会导致支柱上的大小和应力分布不再相同，并且支柱的应力可能会超过标准，进而存在整体结构不稳定的危险，这直接影响球形罐的安全性。在这样的情况下，就必须解决由不均匀沉降带来的问题，所以应该进一步对球罐在不均匀沉降下的应力进行分析与测试，进而更好地解决可能会出现的问题，保证球罐能够安全稳定地运行。

1 球罐基本情况和模型建立

某400m3 液化石油气球罐在2018-10 的定期检查期间，发现某些支柱的垂直度超标，并且支柱基础显示出不同程度的沉降。在2018-12，对球罐进行了压力测试，检查所有焊缝和接头不存在泄漏的问题，地基沉降的差异也在标准范围内，球罐合格通过压力测试。在2019-06，测量了该柱的基本沉降和垂直度。发现每个支柱的基础沉降和支柱的垂直度基本不变。根据球罐图纸参数，利用Ansys 有限元分析软件建立球罐模型，球形外壳和支柱采用实心三维立体按钮单元，杆采用连杆单元link 8，共有647,226 个单元和1,325,887个节点。由于球罐本身受力相对均匀且结构简单，所以这种情况下网格分布非常稀疏。球罐与支柱之间的连接结构比较复杂，因此划分比较密集（图1）。

图1 球罐整体网格图

2 应力测试

基于球罐有限元分析，进而展开应力测试。在目前的倾斜和沉降下，球壳应力基本上不受影响，但在支柱上会产生很大的附加应力。在圆柱体和球形壳体之间的连接中会产生最大应力，每个圆柱体上的应力分布不均匀。球罐的内径为9200mm，壁厚为34mm，最大工作压力为0.8MPa，罐内环境为液化石油气的混合物。初始填充因子为0.85，最大填充因子当前限制为0.65。由于球罐已成功通过全水位压力测试，因此，根据最高液位（工作液位）高达5.5m 和压力进行测试，最高测试为1.0MPa。测量点位于球形外壳和支柱上，每个测量点均使用三向应变花。在加载过程中，观察每个测量点的变形情况，以随时查看是否存在异常。如果发现任何异常，需要立即停止加载。在影响期间，当水进入时，顶部排水阀打开，并且从1.5m 的水位直到最高水位为5.5m，每0.5m 记录一次数据。每个水位的应力值均合格，然后进入水的下一个阶段。当最大水位达到5.5m 时，它将进入增压阶段。

3 应力分析

3.1 球壳应力分布

在基础沉降之前和之后，可以看到von mises 的等效应力分布，可知与柱腿相连的区域中球形壳的应力很大。从该区域扩展开始，应力迅速减小到球膜的应力平衡点。在整个连接区域中，柱顶及与之连接的各个受力物之间的作用力较小。

3.2 支柱反力的不均匀度

为了让分析能够更加准确有效，这里介绍了支撑杆反作用力的不均匀性，其计算公式如下：

式中，Ni 是第i 支柱的反力，Na 是所有支柱的平均反力，N、n 是支柱的个数。支柱反力不均匀度图2 以不同的下沉方式示出。

图2 不同沉降方式下支柱反力的不均匀度

对图4 进行进一步分析可以知道，不管沉降的类型如何，随着柱沉降量的增加，柱反作用力的不均匀性也会增加。两种类型的沉降形式不同，因此，两侧柱的反作用力不相等的变化和下沉方法完全相同。我们还可以发现，沉降量与支柱力是具有重要关联性的关系。后两种类型的不等反作用力变化远大于前两种类型，并且最小的变化是整体倾斜形式。

3.3 支柱强度分析

支腿主要用于支撑球罐，所以我们可以了解到二者之间存在相互作用力，其类型较为简单，不需要过于精确地进行验算。每个支柱的最大垂直压缩应力根据支柱在相同沉陷下的位置而变化，并且可以看到不同的下沉条件。

图3 支柱最大垂直压缩应力随支柱位置的变化规律

从图3 可以看到，根据不同情况而与之相对应的变形情况特点，主要说明每个支柱的变化都是不相同的，主要原因还是沉降导致应力变化所造成的，应力作用越大，那么出现的变化也就越强，反之应力作用越小，出现的变化也就越小，二者是相辅相成、互相关联的关系。并且发生沉降柱的应力变小，而相邻柱的最大垂直压缩应力会急剧增加，并且随着沉降的增加，其增加也随之增加。随着与沉降杆的距离变长，最大垂直压应力减小。

4 结语

总的来说，两侧的下沉比单根下沉和的整体下沉所发生的变化更大。与原来相比，最小的变化是中间凹陷的两个部分。整体偏转和倾斜柱的不相等反作用力的变化要大得多，并且最小的变化是整体垂直压缩应力会随着支柱的位置而显著变化。

（1）沉降柱会对相邻柱造成影响，因为沉降部分的应力作用较小，而与之相邻部分的柱子应力较大，因为存在应力差的关系，所以二者相互间的作用力会不断加大。而当整体出现变化时，倾斜度是最直观和最简单的观察测量方式，通过测量能够了解各部分倾斜的具体数值，进而了解各部分受力的特点。

（2）柱腿的倾斜度对球壳和柱子的应力影响不影响球罐的安全性。基础的不规则沉降对球体的应力影响很小，但对圆柱体的应力影响很大。地基的不均匀沉降会在柱子上产生很大的压力。经过不均匀的基础和支柱的倾斜之后，在支柱上产生了很大的应力。附加应力的大小主要取决于地基的不规则沉降，以及由较小的倾斜度引起的附加应力。