火灾条件下拱顶油罐弱连接结构的失效分析

李玉，徐春明，韩帅，李鸿烨

（1 中国石油大学化学工程学院，北京102249； 2 中国人民警察大学科研部，河北廊坊065000； 3 德州市消防救援支队，山东德州253000； 4 毕节市消防救援支队，贵州毕节551700）

引 言

拱顶油罐因具有造价低廉、操作简便、钢材利用率高的特点，在国内外石化企业及各类油库中应用广泛[1-3]。拱顶油罐一般设有呼吸阀和安全阀，用以保证正常工作压力下的油罐安全[4-5]。但当发生火灾时，拱顶油罐如长时间受外部火焰烘烤，火焰所释放的热量会传递到罐壁，罐壁材料逐渐失效，同时内部油品不断汽化，油品蒸气压也随之上升，油罐内部压力很容易达到耐压极限，油罐开始发生失稳，严重时甚至发生爆炸[6-7]，对人民生命财产和国家安全造成巨大的威胁。拱顶油罐一般设有罐顶弱连接结构。在油罐承受内部破坏压力时，通过削弱罐顶与角钢连接处的焊缝强度，使拱顶油罐先在此处发生失效，防止失效发生在罐体中下部的罐壁、罐底或大角焊缝处，造成所储存的易燃易爆的介质外泄，避免灾害事故进一步扩展升级，发生二次灾害[8-10]。因此，拱顶油罐的失效实际上是罐顶弱连接结构处的失效破裂，很有必要对其进行研究。

赵敏伟[11]对比了API 650—2007《Welded Steel Tanks for Oil Storage》和GB 50341—2014《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》中弱连接结构设计条件的差别。许蕴博等[12-13]采用有限元方法对3000 m3立式拱顶油罐进行了应力分析和稳定性计算，并提出了一种新的设计方法。吴晓滨[14]通过对拱顶油罐顶壁连接处的受力状况进行分析，推导了弱连接结构处的有效承载截面的计算公式，并与GB 50341—2014进行了对比分析。邱水才[15]采用实验和有限元方法对某10000 m3大型拱顶油罐的弱连接结构进行了失效研究和应力分析，并进行了断口形貌分析。徐磊[16]采用模拟比例法和TNO多能法对弱顶结构的立式拱顶油罐进行了爆炸超压评估研究。

对弱连接结构失效方面的研究大都集中在常温条件下[17-26]，未考虑火场时高温对罐壁材料失效的影响。目前在油罐处置现场，救援人员大都依靠经验来判断拱顶油罐安全与否[27]，容易造成贻误战机或撤离不及时造成人员伤亡。

本文通过设计拱顶油罐弱连接结构的失效实验，研究了不同火场温度下弱连接结构的失效规律，并搭建实验装置验证了失效规律的正确性。利用模型推导了不同容积油罐在不同火场温度下的失效压力和失效位移，可为火场条件下拱顶油罐的失效预警提供参考数据，对保障消防救援人员的安全具有重要的现实意义。

1 弱连接结构失效实验

根据GB 50341—2014《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》的规定，立式拱顶油罐有多种规格，容积有100～100000 m3不等，但国内1000～5000 m3容积应用比较广泛。本文以某化工园区5000 m3的拱顶罐[28]为例进行分析，其弱连接结构如图1 所示。在该弱连接结构中，顶板与包边角钢外侧连续角焊，焊角尺寸为4 mm，连接处的罐顶坡度为24.58°，其余焊角尺寸均为6 mm。

图1 拱顶油罐弱连接结构Fig.1 Weak connection structure of vaulted oil tank

弱连接结构中顶板与包边角钢的受力垂直于其受力面，由拉力和剪切力共同作用，可分解为横向力和垂直力。需分别对两个方向的分力进行拉伸失效实验，确定其破坏值。试件尺寸为ϕ30 mm×700 mm，弱连接结构和尺寸保持不变，其中罐壁厚度为6 mm、焊缝尺寸为4 mm，试件材料选用拱顶罐罐壁钢材型号Q235，受力方向为垂直方向的试件标记为A 组，该组共有14 个试件，记为A1，A2，……，A14；受力方向为水平方向的试件标记为B 组，该组共有14 个试件，记为B1，B2，……，B14。弱连接拉伸试件如图2 和图3 所示，选取14 个不同的温度如表1所示。

为了对实验试件进行拉伸，自行设计材料高温力学性能实验平台[29]，如图4 所示。该实验平台由三部分组成：操作控制系统、数据采集系统和钢材拉伸系统。操作控制系统包括温控仪和手动液压控制器，温控仪通过与炉内的热电偶相连用来设定加热炉的温度，最高可达1100℃。

图2 弱连接结构拉伸试件（垂直方向）Fig.2 Test specimens of weak connection structure(vertical direction;unit:mm)

图3 弱连接结构拉伸试件（水平方向）Fig.3 Test specimens of weak connection structure(horizontal direction;unit:mm)

表1 实验工况Table 1 Experimental condition

图4 高温力学性能实验平台示意图Fig.4 Sketch map of experimental platform for high temperature mechanical properties

在高温力学性能实验平台上对以上两组28 个试件在不同的温度条件下进行拉伸实验，可得到垂直试件和水平试件在不同温度下的拉断力以及应力值，结果如表2和图5所示。

由表2 可以看出，在不同的温度下试件的拉断力和应力值不同，随着温度的逐渐升高，竖直构件和水平构件的拉断力和应力值总体上呈现出下降的趋势。在同一温度条件下，垂直试件拉断力和应力值均小于水平试件，可以得出造成弱连接结构失效的是罐顶竖直方向的压力，可以以垂直试件实验结果作为拱顶油罐弱连接结构失效判定数据。

由图5可以看出，当温度低于300℃时试件的拉断力和失效应力值变化较为平缓；当温度高于300℃时，拉断力和失效应力值变化显著，400℃的失效应力值为20℃的70%，500℃降为50%，600℃降为42%。通过对实验数据进行4 次多项式拟合（R2=0.999），然后求导，可以得到敏感区变化峰值在450℃。

表2 不同温度下试件实验结果Table 2 Experimental results of specimens at different temperatures

图5 不同温度下试件的拉断力和应力值Fig.5 Breaking force and stress value of the tensile at different temperatures

2 小尺寸实体罐失效实验验证

为了计算弱连接结构失效实验的精度，搭建了容积为1 m3的拱顶油罐失效实验平台。该实验平台采用高压油泵（最大工作压力为10 MPa）对拱顶罐进行增压，介质为高温导热油（沸点500℃）；用红外测距仪测量罐顶的位移；罐体内预设有热电偶和压力传感器，记录罐体温度和压力变化；实验台周围设有保护挡板，防止高温导热油外溅。弱连接结构和尺寸保持不变，其中，罐壁厚度为6 mm、焊缝尺寸为4 mm。对不同温度下的拱顶油罐进行加压实验，一直到其失效为止，其失效前后的形态对比如图6所示。用红外测距仪和罐内的压力传感器分别记录了在不同温度下油罐发生失效时的压强和罐顶位移，结果如图7所示。可以看出，实验油罐失效位置在弱壁结构处罐顶与角钢连接的焊点位置，即4 mm焊缝处。

图6 拱顶油罐失效前后对比（1 m3）Fig.6 Comparison of vaulted oil tank before and after failure(1 m3)

根据弱连接结构失效实验的结果和GB 50341—2014《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》，油罐失效应力为：

图7 不同温度下拱顶油罐的失效压强和罐顶位移（1 m3）Fig.7 Failure pressure and tank top displacement of vaulted oil tank at different temperatures(1 m3)

将表2得到的实验结果代入式（1），得到计算压强，并与图7 得到的实验压强进行对比，如图8所示。

由图8 可以看出，利用失效实验得到的数据通过推导得出的1 m3的拱顶油罐在不同温度下的失效压强与实验结果大致一样，偏差度在8%以内，可用于拱顶油罐失效预警的计算。

图8 1 m3拱顶油罐失效计算和对比结果Fig.8 Failure calculation and comparison results of 1 m3 vaulted oil tank

表3 不同温度下的承压极限Table 3 Failure pressure at different temperatures

3 不同火场温度下的失效压强

同样利用表2的实验结果和式（1），可以计算不同容积拱顶油罐在不同火场温度下的失效压力，如表3所示。

由表3 可以计算得出，300℃时500、1000、2000、3000、5000 和10000 m3容积油罐的承载能力分别为20℃时 的84.3%、84.4%、84.6%、84.8%、85% 和85.3%，承载能力降低了约15%；400℃时承载能力降低了约25%；温度高于400℃时，降低速率加快，500℃时承载能力降低了约45%、600℃时降低了约55%。

为了验证数据的准确性，根据GB 50341—2014，利用表2得到的拉断强度作为失效值，计算了本文六种容积油罐的破坏压力，对比结果如表4 所示。其中，a为本文的计算值；b为根据GB 50341—2014附录A计算得到的数值。

表4 计算结果对比Table 4 Comparison of calculation results

由表4 可以看出，两种计算方法得到的油罐失效压力偏差值最大在6%左右，可以基于本文得到的油罐失效数据，对拱顶油罐的失效进行预警，保证现场救援人员的生命安全。

4 结 论

（1）通过等尺寸实验的方法测试了4 mm拱顶油罐弱连接结构焊缝，在不同火场温度下的水平方向和垂直方向的承载能力，结果表明：弱连接结构失效是由罐顶所受压力竖直方向的分力造成，其实验结果可作为失效判据。当温度低于300℃时试件的拉断力和失效应力值变化较为平缓；当温度高于300℃时，拉断力和失效应力值变化显著，其中450℃为变化峰值温度。

（2）通过自行设计小尺寸实体罐失效实验平台，实验测试了拱顶油罐弱连接结构的破坏压力。将实验结果与计算结果对比表明，失效压力偏差在8%以内，可用于拱顶油罐失效预警数据的计算。

（3）在弱连接结构失效实验结果的基础上，建立了拱顶油罐失效压力计算模型，并以4 mm焊缝为例，推导了不同容积油罐在不同温度下的失效压力，可为拱顶油罐失效预警提供数据支撑。

符 号 说 明

A——弱连接结构的有效面积，m2

D——油罐直径，m

P——罐顶所受压强，Pa

R2——拟合相关系数

θ——罐顶与罐壁连接处罐顶与水平面之间的角度，(°)

σ——实验得到的失效压强，MPa