本文是一篇工程硕士论文，本文以东北某油田作为研究对象，结合当地的高寒气候，从冬季低温、温度骤降和地基土冻胀对空罐罐体应力产生的影响进行研究。研究主要以ANSYS软件和有限元模型为研究方法，采用实验和模拟相结合并修正模型的思路，对有限元模型结果进行分析。
第一章绪论
1.1研究背景
石油作为经济发展的重要资源和战略储备物资，因国际经济一体化和国际政治局势的影响，石油的价格往往波动较大。而随着我国经济发展加快，对于石油等能源的消耗也日益增多。由于我国绝大部分地区并非石油盛产区域，因此石油消耗量增多，导致我国对外进口石油依赖度越来越大。为了有效应对国内外石油市场变化，保障国家能源安全，我国在加大力度快速建设国家石油战略储备库的同时，在大中型油田实施增储工程也是重要途径。
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自2009年起，我国中部某油田开始建设生产运行储备库，先后在某油库新建10座15×104m3储油罐。该油田位于我国东北部寒冷地域，尽管夏季温度亦可达30℃以上，而冬季的最低气温却可低于-35℃，且该地区日夜温度差异较大，冬季寒冷时期较长。在每年的第一和第四季度，由于入冬温度降低，泥土往往沿着温度降低方向生成冰晶体形状的霜柱土从而产生冻胀。该地区原油储罐的建设工期一般在冬季前完成，根据储罐的建设要求和油库的生产规划，新建成的储罐可能冬天投产，或越冬后再投产。在役储罐由于检修等原因，也有可能出现空罐越冬的情况发生。环境温度的巨大变化对储罐本体，尤其是区域气候中的超低温、温度差异、地基土冻胀等问题均对石油储罐的安全性产生了一定的影响，因此有必要对储罐在空罐越冬情况下的安全性进行评价分析，明确空载储罐安全越冬的影响因素。
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1.2研究目的和意义
1.2.1研究目的
我国东北地区气候高寒，漫长冬季所具有的超低温、温度骤变、地基土冻胀等气候特点对石油储罐，尤其是对空载储罐的安全性产生不利影响。而我国盛产石油的十个省份中，有九个省份均位于北方，其中黑龙江大庆的石油年产量位居全国第三，辽宁的石油产量位居全国第七，均位于我国高寒东北区域。本文结合有限元模型对高寒地区的空载储罐越冬安全影响因素进行研究，旨在通过模型构建和数据运算，量化超低温、温度骤变、地基土冻胀对石油空载储罐安全性的影响，从而为我国高寒地区的空载储罐越冬安全提供相应的对策建议。提出储罐空载越冬安全保障措施，以期解决石油储运系统中高寒地区大型原油空载储罐的安全管理难题，使我国高寒地区大型原油空载储罐的生产运行管理实现有质量、有效益的提升。
1.2.2研究意义
首先涉及到本文的理论研究成果较少。以“高寒”和“空载储罐”等作为关键词在中国知网、维普等数据库进行检索可见，仅有忻平的《高寒地区低温空载储油罐安全保障措施评价》，即使放宽检索条件研究成果也并不多见。由此可见，我国学者对该领域的研究成果仍较为分散，不成体系。本文对高寒地区的空载储罐越冬安全影响因素进行研究，有利于为我国高寒地区的油田空载储罐安全越冬提供理论参考，同时也对我国该领域的理论研究进行补充，研究具有一定的理论意义。
其次在实践意义上，本文对高寒地区的空载储罐越冬安全影响因素进行研究，依托于作者所在单位的研究课题和工作实际，以现场实际生产案例作为研究对象，结合有限元模型，量化超低温、温度骤变、地基土冻胀对高寒地区空载储罐产生的影响，进而提出储罐空载越冬安全的保障措施，并将研究成果应用于工作实践中，为我国高寒地区空载储罐安全越冬的影响因素奠定实证基础，为相关部门制定空载储罐安全越冬措施提供决策依据。
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第二章理论基础与测温装置设计
2.1高寒地区气候特点及影响
所谓高寒地区指的是由于海拔高或者纬度高而形成的特别寒冷的气候区，高寒地区在地理学意义上是指的一种气候特征，我国属于高寒地区的有黑龙江省北部、青藏高原、甘肃、内蒙古部分地区。高寒地区具有冬季时间长，冬季寒冷，温度差异大和土壤冻胀的特点[45]。
2.1.1超低温
高寒地区的特点首先就是海拔高或者纬度高而导致的特别寒冷。除了青藏高原或甘肃地区海拔高和山脉多导致的极寒之外，我国东北主要是因为纬度高而导致的冬季严寒气候。根据中国天气网1951-2019年国家级气象站的气温数据，从站点的省份分布来看，10个极端低温站点，黑龙江占据4席，内蒙古和新疆分别有3个。黑龙江这4个站点分别为漠河-52.3℃，呼中-49.2℃，呼玛-48.2℃，孙吴-48.1℃。2021年2月1日，我国东北地区就曾迎来极端性寒冷天气，其中黑龙江省漠河市阿木尔镇甚至出现了-49.7度极端性气温，创下了黑龙江50年来最冷的一天，这也是1969年漠河创下-52.3℃极端低温纪录之后的最低温度。因此，冬季严寒是高寒地区的显著气候特征。
2.1.2温度骤降
本文所研究的油田位于我国东北地区，而东北地区作为我国纬度位置最高的区域，冬季寒冷，高纬度固然是基本因素，但它的相关位置也有明显作用。其西面是高达千米的蒙古高原，西伯利亚极地大陆气团也常以高屋建瓴之势，直袭东北地区。因而本区冬季气温较同纬度大陆低10℃以上。而北面与北半球的“寒极”——维尔霍扬斯克-奥伊米亚康所在的东西伯利亚为邻，从北冰洋来的寒潮，经常侵入，致使气温骤降。加之地处高纬度，白昼短暂，黑夜漫长，接收到的太阳辐射最少，而向外辐射散失的热量多，因此成为我国最寒冷的区域之一，也是温差很大和气温骤变的主要区域之一。
石油空载储罐多数由金属材质建成，具有热胀冷缩的特性。在标准温度下，空载储罐得以长久保存。而一但发生温度骤降，将对于石油储罐，空载的储罐由于内部没有内容物得以支撑或发生热传导，因此在温度发生巨大变化时，就会引起空载储罐形量的变化，即气温骤降会引起空载储罐径向和纵向变化，使得容积发生差异。
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2.2有限元模型修正理论
2.2.1模型修正
有限元模型是对仅在节点处连接，并仅靠节点传力、在节点处受约束的单元组合体所建的模型，目前有限元模型被广泛应用于土木建筑、航天航空等领域。由于有限元模型受到网格划分、边界条件和材料参数等物理特性的影响，初始的有限元模型结果往往与真实结构有所差别。出现差别的原因主要是由于模型结构误差、阶次误差及参数误差所引起的。因此，为了减少模型结果与实际结构的差异，提升模型精度，需对有限元的数据加以修正，使之尽可能贴近实际。当前国内外学者均对有限元模型的修正进行了探索，修正后的有限元模型不仅具备较高的精确度，同时也为有限元模型修正、确认方法提供更多的思路。由于学者普遍认为造成有限元模型误差的主要因素是参数误差。本文假定参数误差可以通过边界条件、材料参数、几何参数等来修正[46]。修正参数选定后，有限元模型修正问题可以转变成为对结构参数的优化问题，且往往为含有一定约束条件的约束优化问题。图2.1为有限元模型修正的流程。
本文根据有限元模型修正理论，以罐体结构强度为依据，设置载荷及边界条件，对空载储罐在0℃、-15℃、-30℃、-45℃、-60℃不同温度环境，不同温度骤降以及不同地基土冻胀情形下的应力，选取了前6阶频率进行有限元模型的校正，理论为后期的模型构建和运算奠定理论基础。
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第三章低温对储罐本体安全影响研究................................15
3.1储罐有限元模型建立..............................15
3.1.1有限元模型的模态提取和置信度准则.........................15
3.1.2设计变量及灵敏度分析..................................15
第四章温度骤变对储罐本体安全影响研究............................25
4.1模型构建...............................26
4.1.1载荷及边界条件..............................26
4.1.2模型误差校正...................................26
第五章地基土冻胀对储罐安全影响研究.......................31
5.1地基土冻胀判别标准..................31
5.1.1对象地质条件描述.............................31
5.1.2力学性质指标.................................31
第六章高寒地区储罐空载越冬安全保障措施及评价
6.1高寒地区低温空载储罐安全保障措施
高寒地区冬季其厚重的低温、温度骤降和地基土冻胀均不同程度对空罐应力产生影响。尤以地基土冻胀使得空罐罐体变形超过34mm时，空罐的最大应力将超过许用应力。因此，针对上述原油储罐空罐低温越冬过程中存在的问题，建议从以下几个方面进行改进，加强储罐安全管理，确保空载储罐安全越冬。
6.1.1材料质量
1.需要核实保温材料生产厂家的资质及材料质量出厂前是否经过严格的检测
首先，厂家的正规资质和质量检测能力是保障保温材料合格的关键，在检查过程中一定要给予高度重视。其次，保温材料、外护材料等对储罐保温是非常重要的，必须符合行业标准和规范，必须要进行严格的检查。如果一个生产厂家没有自己的一流的检测仪器、设备器材，没有专业的业务人员，那么他所生产的出来的产品质量是根本没有保障的。
2.要对保温材料的质量情况进行随机抽查
随机抽查就是要灵活性、不定期性，一般采用厂内抽查和现场抽查两种方法，这两种方法各有优势，都是不可或缺、至关重要的。厂内抽查指的是随机检查该企业生产的相同型号类别的产品，根据抽查结果来反映该厂家对产品质量的自我检测能力强弱和产品质量稳定情况。现场抽查指的是产品被运送到施工现场后对其进行检查，当然这不仅是对生产质量是否合格的检查，也是对运输过程产品是否发生损坏的检查。两种检查方式方法是互为补充的，忽略其中任何一种，产品的质量就很难有所保证，一旦发生问题就会影响储罐安全运行。
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结论
我国东北和华北区域具有高寒的气候特征，而我国盛产石油的省份多数位于北方，根据储油罐的建设要求，新建成的储油罐和需检修的在役储油罐均有可能越冬后再投产。因此确保空罐安全越冬对于油库的生产规划安全具有十分重要的意义。本文以东北某油田作为研究对象，结合当地的高寒气候，从冬季低温、温度骤降和地基土冻胀对空罐罐体应力产生的影响进行研究。研究主要以ANSYS软件和有限元模型为研究方法，采用实验和模拟相结合并修正模型的思路，对有限元模型结果进行分析。研究取得如下研究成果：
1.采用有限元方法对空载储罐低温存放过程进行模拟分析，结果表明，储罐各关键部位的应力均随着温度的降低而增大，最大应力出现在大角焊缝处，人孔处出现局部应力集中，低温对罐壁顶圈壁板及包边角钢的影响较小。冬季低温环境不会对空载储罐越冬造成损坏。
2.针对环境温度24小时内骤降10℃、15℃、20℃、25℃情况下，随着温度的骤降，储罐的最大应力值逐渐增大，且24小时内温度骤降值越大，最大应力值越大，储罐的最大应力均小于许用应力，储罐所有关键部位都满足强度要求。所以，空载储罐在冬季温度剧烈变化的情况下可以安全越冬。
3.针对低温环境可能造成地基冻胀，导致储罐结构塑性破坏的问题，采用有限元方法模拟分析了地基土冻胀对罐体结构的影响，确定地基土局部冻胀的安全界限为34mm
4.在不断增加保温层厚度的情况下，罐底下表面中心节点温降值逐渐减小，这就证实保温层厚度越大，保温效果越好。综合考虑储罐内铺设保温材料的技术难度和保温材料的经济性，珍珠岩是罐底板实施保温最理想的材料，值得注意的是铺设珍珠岩也不是越厚越好，保持在5至10厘米是保温效果和经济投资是最优的厚度。
5.根据对有保温和无保温措施的储罐的应力模拟计算结果表明，在相同环境温度下，有保温材料的储罐各关键部位应力小于无保温材料的储罐，因此铺有保温材料保温效果越好，储罐越安全。
6.为了确保空载储罐安全越冬，还可以从材料质量、保温结构革新、监督检查、注意维护还有罐底基础的保护等方面制定有效措施，进一步增强空载储罐安全越冬的可靠性。
参考文献（略）