基于电阻应变测试的大型原油储罐弯曲应力检测
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作者:周笑
摘 要：石油化工行业的迅猛发展，使得人们越来越重视能源的安全问题，在大量建造大型原油储罐的同时，产生的安全隐患问题也逐渐增加。针对这一问题，提出了一种基于电阻应变的大型原油储罐弯曲应力检测方法，并对应力计算模型以及应变片布置进行设计。实验对比表明，该文方法准确性更高，更适应于在石油化工行业对储罐应力的检测。
关键词：电阻应变 大型 原油储罐 弯曲应力
随着石油化工行业的快速发展，储油设备规模逐渐扩大，且复杂程度也逐渐增加，因此对于储罐设备的安全问题也受到了越来越多的重视。但是，目前仍没有一套较为完整的安全检测方法，适用于储罐运行过程中潜在隐患检测[1]。在现有的对原油储罐的设计规范中，并没有一项是针对原油储罐弯曲应力的定义，当原油储罐受到外界压力过大时，储罐本身并不能保证受到压力不会变形或破裂[2]。因此，对于大型原油储罐的弯曲应力的检测方法具有一定的现实应用价值。
1 大型原油储罐弯曲应力检测
1.1 应力计算模型
在制定检测方法前，首先要对储罐的应力计算方法进行设计，建立一个应力计算模型。图1为一个高度为L的原油储罐，在储罐顶端受到单个应力为F的作用力的形变简图。
以储罐的地部所在地面为坐标x轴，根据材料力学等相关知识，可以得到如下曲线方程式：
公式（1）中，E为储罐的弹性模量;I为储罐中心轴的惯性矩;EI为储罐的抗弯刚性;α为在合作用点距离储罐底部的距离;x为任意一点距离储罐底部的距离。当施加的单个应力F作用位置固定时，在某一个固定位置上，由该应力作用所产生的挠度ω只会与应力F的大小相关，且二者之间存在线性关系[3]，由此可以得出，当储罐受应力作用时，会产生一个沿圆周方向较小的挠度值。
作用在储罐表面的应力Fn垂直于储罐水平面，该应力与储罐的切面Pα'bc倾斜成一定角度，称为法向啮合角αn。法向上的应力Fn可以分解为3个相互间垂直的分力，分别表示为沿储罐竖直方向上的应力Ft;沿储罐径向上的应力Fr;沿轴向上的应力Fα。由应力的相关知识可以得出，导致原油储罐弯曲的应力公式为。
公式（2）中，K为应力系数;YFα为储罐的弯曲系数;YSα为应力校正系数;Yβ为弯曲角影响系数;b为储罐直径;mn为法向模数;Zα为端面的重合度数。
1.2 应变片布置
大型原油储罐的内外表面积较大，为了快速准确地测量出储罐壁当中的常规应力值以及开孔所导致的应力集中值，首先要对大型原油储罐的应力采用三维的有限元方法进行初步的分析与计算，找出应力较为集中的部分或应力分布较为明显的区域，再进行下一步——制定应变片布置方案。
大型原油储罐的外壁布置的应变片具体位置应该设置在大角焊缝中、第一道以及第二道环焊缝中和储罐开口周围，并让应变片布置相对密集。还要选取一个具有一定间隔的两个相互垂直的截面，在其中的一个截面的外壁和内壁上各设置一个应变片，高度设定为第二个环焊缝接口处，在另一个界面的外壁上设置一个应变片，高度设定在储罐的最高点上。布置完毕后，对每一个应变片进行编号，将环向应变片用奇数表示，轴向应变片用偶数表示。为了使边缘应力的影响反映得更加明显，在储罐焊缝附近布置的应变片应更加密集。
2 对比实验
为了验证该文提出的应力检测方法能够更加有效的、准确地检测出大型原油储罐弯曲的应力，建立了如下对比实验：
选取两个规格完全相同的大型原油储罐，利用该文检测方法与传统检测方法分别对这两个储罐的弯曲应力进行检测，在保证除检测方法外，其余条件均相同的情況下，将实验结果产生的数据记录在表1中，并将两种方法检测的结果与实际的应力值进行比较，比较两种方法的检测精度。
通过表1记录的数据计算出两种检测方法的检测精度，传统方法的检测精度在80%～90%，该文方法的检测精度在98%～99%，由此可以看出，该文检测方法检测到的应力值与实际的应力值更加接近，更具有实际的应用价值。同时通过实验可以证明，该文提出的检测方法能够有效针对正常运行的大型原油储罐弯曲的应力进行检测，且具有线性度良好、灵敏度高、效果理想等优点。该方法能够有效克服传统检测方法的弊端，能够将实际情况带入到测量当中，保证结果的真实、可靠。
3 结语
为解决当前大型原油储罐弯曲应力检测准确率低的问题，提出基于电阻应变测试的大型原油储罐弯曲应力检测研究。根据设计的应力计算模型及应变片布置，完成该文研究，经实验验证，该方法可以有效提高储罐弯曲应力检测准确率，具有实际应用意义。
参考文献
[1] 石磊，帅健，许葵，等.大型非锚固变壁厚外浮顶原油储罐的应力测试[J].油气储运，2017，36（10）：1128-1132.
[2] 徐中原，王维，王玉林，等.利用AE检测技术实现大型原油储罐的在线检测[J].炼油与化工，2018，29（6）：33-35.
[3] 赵金龙，黄弘，屈克思，等.基于数值模拟的大型原油储罐热辐射响应研究[J].中南大学学报：自然科学版，2017，48（6）：1651-1658.
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