立式圓柱形儲罐的震害及抗震研究

張曉亮

0 引言

立式圓柱形鋼制儲油罐是石油儲運系統(tǒng)的重要儲液容器,多用于存貯易燃、易爆的介質(zhì),是重大危險源。儲罐一旦在地震作用下發(fā)生破壞,危害十分嚴重,因此,儲罐的抗震研究成為普遍關(guān)注的課題。儲罐的抗震研究主要分為錨固儲罐和無錨固儲罐兩大類,包括震害調(diào)查、理論分析、實驗研究和工程應(yīng)用等幾個方面。其中錨固儲罐的抗震研究起步最早,其在線性彈性方面的不少成果已相當成熟,而無錨固儲罐的抗震研究則恰好相反。與錨固儲罐相比,無錨固儲罐的地震響應(yīng)要復(fù)雜得多。無錨固儲罐的抗震研究主要是以提離機理和提離導致的失穩(wěn)、強度破壞為重點,并可從靜力提離和動力提離兩方面進行研究。

1 儲罐的震害研究

1.1 儲罐常見的震害分析

1)罐壁的損壞主要表現(xiàn)為罐壁底部的“象足式鼓曲”、罐壁的菱形失穩(wěn)以及整個罐壁嚴重外鼓。目前對象足式鼓曲的產(chǎn)生原因認識不一,有的認為是軸向失穩(wěn)的一種形式,有的認為是環(huán)向拉應(yīng)力與軸向壓力同時作用引起的強度破壞。罐壁過度變形不一定引起儲油泄漏,但應(yīng)力過大會撕裂罐壁和底部的連接。罐壁失穩(wěn)鼓曲過大會使儲油溢出,因此現(xiàn)有的規(guī)范都著重校核罐壁的失穩(wěn)。

2)罐頂?shù)膿p壞與上部罐壁失穩(wěn)。罐頂大致可分為浮頂和固定頂兩類。固定頂?shù)钠茐闹饕泄揄敽凸薇谶B接處開裂和固定頂屈曲等。其原因主要是儲液晃動引起的對流壓力的沖擊及儲液晃動形成負壓所造成。浮頂?shù)钠茐闹饕歉№斏喜繕?gòu)件損壞即浮艙和單盤的焊縫撕裂及浮頂卡住不能升降造成破壞。其原因是液面晃動過大所致。

3)罐底板、錨固件和罐底貼角焊縫的破壞。造成此類破壞的原因是儲液罐的翹離和儲罐基礎(chǔ)的不均勻沉陷或局部沉降。

4)管接頭及附件的破壞。這種破壞是由于儲罐的翹離、移位和沉陷引起,一般可采用構(gòu)造措施加以防止。

5)由于軟土地基沉陷、液化等破壞引起的罐體強度及穩(wěn)定方面的破壞。

1.2 儲罐的震害預(yù)測

目前國內(nèi)外最常用的震害預(yù)測方法有如下幾種[2]:

1)歷史震害統(tǒng)計法。2)模糊類比法。3)概率預(yù)測法。4)專家評估法。5)基于GIS系統(tǒng)的震害預(yù)測。

2 立式儲罐的抗震研究

文獻[3]對過去國內(nèi)外的儲罐抗震研究情況進行了總結(jié)。近幾年我國對大型儲罐地震動力響應(yīng)的研究主要在三個方面[4]:模態(tài)分析,即自振特性分析;地震動力響應(yīng)及屈曲破壞分析;減震抗震研究。儲罐地震響應(yīng)問題與儲罐的固定形式密切相關(guān)。

2.1 錨固罐的抗震研究

近幾年國內(nèi)的研究成果有[5]:杜英軍等利用ANSYS軟件建立了錨固式儲液罐的有限元計算模型,分析并且計算了錨固式儲液罐的固有頻率和振型,研究結(jié)果表明由于振動產(chǎn)生的罐體破壞容易發(fā)生在罐體上沿,抗震加強圈應(yīng)靠頂部設(shè)置,此研究結(jié)果還為分析儲液罐在地震載荷作用下的動力響應(yīng)和破壞機理打下了基礎(chǔ)。王健等對立式圓柱形鋼制儲液罐的固液耦合問題,從理論分析出發(fā),以實際罐體為例,利用ANSYS軟件,通過合理建模,進行了模態(tài)分析。在此之前的研究大部分忽略罐頂?shù)挠绊?此次研究消除了由此而產(chǎn)生的誤差。他們的研究成果還為進一步分析罐液系統(tǒng)的動力響應(yīng)打下基礎(chǔ)。王健還利用ANSYS軟件對空錨固式儲液罐進行了模態(tài)分析,在此基礎(chǔ)上通過對儲液罐施加地震加速度反應(yīng)譜載荷進行了譜分析,給出了儲液罐在橫向譜載荷作用下較為詳盡精確的結(jié)果。陳建胡等在Haroun-Housner模型和地基圖集總參數(shù)模型的基礎(chǔ)上建立了立式錨固儲液罐的土—罐—液動力相互作用的計算模型,該模型能夠有效反映儲液罐和地基土的相互作用機制及儲罐和儲液的耦合效應(yīng)。他們利用此模型對4種規(guī)格儲液罐進行了地震反應(yīng)分析,分析結(jié)果表明:地基土條件對立式錨固儲液罐的地震反應(yīng)有較大的影響,地基土越硬,儲液罐的基底剪力及傾覆力矩也越大,而地基土的軟硬對儲液晃動位移幾乎沒有影響。

2.2 無錨固罐的抗震研究

無錨固罐的地震響應(yīng)要復(fù)雜得多,特別是其提離機理及提離導致失穩(wěn)和彈塑性大變形方面的研究還很不完善,至今提出的方法雖多,但還沒有一種方法能得到業(yè)界廣泛認同。基于提離機理和提離導致的破壞現(xiàn)象的研究一直是無錨固罐抗震研究的重點。

近幾年的研究成果有[4,5]:葛頌等在考慮大變形幾何非線性和材料非線性條件下,利用非線性有限元法,以軸對稱載荷殼單元模型,對一定尺寸范圍內(nèi)的儲液罐進行了準靜態(tài)彈塑性屈曲分析,研究了受軸向壓應(yīng)力情況下,環(huán)向應(yīng)力和軸向壓縮失穩(wěn)能力之間的關(guān)系,并強調(diào)了軸向壓力是導致失穩(wěn)的主導作用。陳志平研究了大型儲罐空罐及裝有液體的錨固和非錨固罐的自振特性。分析得到:大型儲罐的振型主要表現(xiàn)為環(huán)向多波的形式,儲液罐固有頻率密集,液面晃動對系統(tǒng)耦合頻率影響很小,儲液密度越大、充裝液體越多,系統(tǒng)的耦合頻率越低,但振型不變。王振考慮土壤地基及液罐耦合作用影響,將土壤視為彈簧阻尼系統(tǒng),提出了三維簡化多質(zhì)點模型,對非錨固儲液罐的三維地震響應(yīng)綜合進行了理論分析、數(shù)值模擬和三維震動臺試驗,通過分析驗證了三維地震作用與一維地震作用相比,將使儲罐地震響應(yīng)增大的理論。他們都指出目前的設(shè)計規(guī)范中不考慮豎向地震分量存在安全隱患。范喜哲等采用ANSYS軟件建立了考慮液體晃動和罐底提離立式儲液罐有限元模型,分別進行了水平地震和豎向地震作用下罐壁“象足”變形分析。分析表明:立式儲液罐罐壁“象足”變形主要是由罐壁縱向壓應(yīng)力超過臨界應(yīng)力而產(chǎn)生的局部屈曲破壞,并非強度破壞;在完全相同地震加速度作用下,水平地震作用比豎向地震作用罐壁更早更容易進入屈曲狀態(tài),產(chǎn)生“象足”變形。孫建剛等在水平地震作用下非錨固儲液罐應(yīng)力與應(yīng)變響應(yīng)分析中得出了與上面相同的結(jié)論。張琳琳在儲液罐動態(tài)響應(yīng)分析中對儲液罐的“提離”問題、“象足”現(xiàn)象做了初步探討,指出在受同樣內(nèi)壓和軸壓力的情況下,儲液罐底部更容易出現(xiàn)“象足”現(xiàn)象。鄭天心等運用ANSYS軟件建立考慮液體晃動和罐底提離的儲液罐模型,分析了地震作用下無錨固儲液罐的動力響應(yīng)。該模型可以簡便、有效地模擬殼—液的多種移動邊界、幾何大變形和流體液面大幅晃動、粘性等多種非線性因素耦合作用的三維的地震反應(yīng)分析問題。同時還與經(jīng)典的Clough試驗結(jié)果進行比較,驗證了所建模型的可靠性。該模型在數(shù)值分析結(jié)果中成功地再現(xiàn)了液面的大幅晃動現(xiàn)象和無錨固儲液罐的罐底提離現(xiàn)象。李文剛等考慮了地基作用,將地基離散為實體單元,專門對水平激勵下的非錨固儲罐內(nèi)液體晃動作了分析,得出的結(jié)論是:液面的晃動是長周期運動,液面晃動不只是以基本振型為主,前幾階的貢獻也比較大,大體積晃動周期比小體積罐的大很多,大體積罐的提離小于小體積罐。

3 結(jié)語

從以上研究來看,目前對于儲罐震害預(yù)測的研究還較少,還有許多問題有待于繼續(xù)研究和探討。結(jié)合儲罐自身特點建立系統(tǒng)的適合于儲罐震害預(yù)測的方法,或者正確地選擇現(xiàn)有的各種震害預(yù)測方法應(yīng)用于儲罐的震害預(yù)測,將成為今后這方面研究工作的主要任務(wù),需要不斷的努力探索。儲罐的抗震研究非常復(fù)雜,涉及到材料非線性、幾何非線性、移動邊界等多重非線性的耦合,尤其是后兩者的問題需要進一步研究,另外,非軸對稱載荷和罐的幾何缺陷等對失穩(wěn)條件的影響以及儲罐在三維地震動和正負方向作用下的地震反應(yīng)等也是今后尚需研究的問題。

[1]王翠翠.考慮液固耦合儲液罐非線性地震反應(yīng)分析[D].北京:中國地震局工程力學研究所,2009.

[2]李梁峰.儲油罐模糊抗震可靠度及其震害預(yù)測[D].北京:華僑大學,2004.

[3]王永崗,呂英民,張進國.儲液罐抗震研究[J].油氣儲運,1999,18(6):1-7.

[4]沈利英,沈士明.大型儲罐地震動力響應(yīng)研究綜述[J].壓力容器,2008,25(9):49-53.

[5]陳貴清,邢金瑞.儲液罐的抗震研究史[J].科技信息,2009,33(7):812-814.