LNG儲(chǔ)罐外罐壁在沖擊荷載作用下的受力分析

張?jiān)品澹?張 釗， 薛景宏， 計(jì) 靜

( 1. 東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318; 2. 東北石油大學(xué) 黑龍江省防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 大慶 163318 )

液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)儲(chǔ)罐對增強(qiáng)供氣穩(wěn)定性，提高供氣靈活性，特別是對燃?xì)怆姀S等重要用氣部門及設(shè)施安全運(yùn)行提供有力的保障具有不可替代的重要作用[1-3].目前世界各地LNG儲(chǔ)罐日趨增多.它的安全性也是人們關(guān)注的問題，現(xiàn)在我國還沒有設(shè)計(jì)規(guī)范[4-5]，筆者主要研究全容式預(yù)應(yīng)力混凝土儲(chǔ)罐在沖擊荷載作用下的受力特性，為我國的預(yù)應(yīng)力LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù).

1 基本參數(shù)

以上海某LNG事故備用站的一座LNG儲(chǔ)罐為研究對象.該儲(chǔ)罐屬于地上式全容罐，要求在-160 ℃的低溫儲(chǔ)存LNG，可承受230 MPa氣壓.外罐混凝土強(qiáng)度采用C45.儲(chǔ)罐尺寸參數(shù)、結(jié)構(gòu)見文獻(xiàn)[6].

2 有限元模型建立

由于沖擊與爆炸屬于高度非線性動(dòng)力學(xué)問題，沖擊過程中荷載與結(jié)構(gòu)受力瞬息萬變，建立準(zhǔn)確的有限元模型困難，因此作基本假設(shè)[7]：(1)沖擊物為剛體；(2)沖擊時(shí)只有動(dòng)能和內(nèi)能的變化，無熱能的損失；(3)沖擊時(shí)不考慮重力的影響；(4)忽略沖擊物與被沖擊物之間的摩擦；(5)忽略沖擊物與被沖擊物之間的阻尼.

儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)與罐壁、穹頂與罐壁采用固定連接，在罐壁計(jì)算模型的交接處加固定約束.混凝土本構(gòu)關(guān)系模型選用Johnson-Halmquist-Concrete混凝土模型.該混凝土模型是一種專門針對混凝土受沖擊載荷作用而開發(fā)的動(dòng)態(tài)材料模型，考慮其應(yīng)變、高應(yīng)變率和高壓情況，同時(shí)結(jié)合損傷理論考慮材料的拉伸脆斷行為[8-10].利用ANSYS/LS-DYNA建立有限元模型，混凝土和撞擊質(zhì)量塊采用實(shí)體建模，選取SOLID164[11]單元，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用LINK167[12]單元，普通鋼筋采用整體模型，即將其和混凝土看成均勻連續(xù)的整體.建立儲(chǔ)罐和質(zhì)量塊有限元模型(見圖1和圖2).

3 模型驗(yàn)證

根據(jù)文獻(xiàn)[7]折線梁的尺寸，利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立有限元模型，并計(jì)算在沖擊荷載作用下的速度，同時(shí)采用解析法求解折線梁在沖擊點(diǎn)的速度，將兩者進(jìn)行比較，驗(yàn)證文中有限元模型的準(zhǔn)確性.

圖1 LNG儲(chǔ)罐預(yù)應(yīng)力外罐有限元模型

圖2 質(zhì)量塊的有限元模型

理論計(jì)算沖擊達(dá)到共同速度時(shí)v1=1.55 m/s，ANSYS/LS-DYNA軟件所求得的共同速度為1.53 m/s，與解析解的誤差為1.3%，證明文中有限元模型的準(zhǔn)確性.

4 有限元分析

表1 LNG預(yù)應(yīng)力混凝土外罐罐壁碰撞工況

根據(jù)破壞的可能性，選取9種工況對儲(chǔ)罐進(jìn)行分析，見表1.利用LS-DYNA軟件的顯式求解功能求解外罐受撞擊情況下的應(yīng)力變化，檢驗(yàn)外罐的安全性，分析最不利的碰撞情況，為進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)提供依據(jù).

單位體積質(zhì)量塊以3種速度撞擊儲(chǔ)罐中、下部產(chǎn)生的應(yīng)力分布趨勢相同，大小有差異，因此以50 m/s時(shí)的應(yīng)力表示(見圖3-5)，而單位體積質(zhì)量塊以70 m/s撞擊儲(chǔ)罐上部時(shí)與其他2種速度下應(yīng)力分布趨勢略有不同，見圖6.

由圖3可以看出，單位體積質(zhì)量塊以速度50 m/s撞擊儲(chǔ)罐上部時(shí)，應(yīng)力從0 ms處迅速增加，在0.2 ms左右達(dá)到峰值；隨后下降，在0.5 ms左右有所反彈；然后逐漸下降，在2.0 ms時(shí)趨于平穩(wěn).

圖3 單位體積質(zhì)量塊以50 m/s速度撞擊儲(chǔ)罐上部應(yīng)力變化曲線

圖4 單位體積質(zhì)量塊以50 m/s速度撞擊儲(chǔ)罐中部應(yīng)力變化曲線

圖5 單位體積質(zhì)量塊以50 m/s速度撞擊儲(chǔ)罐下部應(yīng)力變化曲線

圖6 單位體積質(zhì)量塊以70 m/s速度撞擊儲(chǔ)罐上部應(yīng)力變化曲線

由圖4可以看出，單位體積質(zhì)量塊以50 m/s速度撞擊儲(chǔ)罐中部時(shí)，應(yīng)力從0 ms處迅速增加，在0.2 ms左右達(dá)到峰值；隨后下降，在0.3 ms左右出現(xiàn)波動(dòng)，然后逐漸下降，在2.0 ms時(shí)平穩(wěn)下降.

由圖5可以看出，單位體積質(zhì)量塊以50 m/s 速度撞擊儲(chǔ)罐下部時(shí)，從0 ms處迅速增加，在0.2 ms左右達(dá)到峰值；隨后快速下降到0.3 ms左右，然后逐漸平穩(wěn)下降，可見從達(dá)到最大應(yīng)力到趨于平穩(wěn)的時(shí)間很短.

由圖6可以看出，單位體積質(zhì)量塊以70 m/s撞擊儲(chǔ)罐上部時(shí)，除了在6.4 ms左右出現(xiàn)1個(gè)峰值外，與以速度50 m/s撞擊儲(chǔ)罐上部時(shí)應(yīng)力變化趨勢基本相同.

根據(jù)9種工況所產(chǎn)生的最大應(yīng)力，得出9種工況條件下LNG儲(chǔ)罐最大應(yīng)力(見圖7).由圖7可以看出，儲(chǔ)罐罐壁的應(yīng)力隨著撞擊高度的降低而降低，質(zhì)量塊的速度越大，撞擊時(shí)的應(yīng)力越大，但在儲(chǔ)罐中部60 m/s和50 m/s的應(yīng)力基本相同.因此當(dāng)質(zhì)量塊質(zhì)量一定，速度大的質(zhì)量塊對LNG儲(chǔ)罐的影響較大，在儲(chǔ)罐上部應(yīng)力較大，因此可以在儲(chǔ)罐上部增加壁厚、混凝土強(qiáng)度、鋼筋的等級(jí)和數(shù)量等，以避免發(fā)生大的破壞[13-14].

選一最不利的位置沿厚度分析破壞程度.質(zhì)量塊以70 m/s的速度撞擊LNG儲(chǔ)罐罐壁上部時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力最大，沿厚度方向剖面的應(yīng)力分布見圖8(時(shí)間為0.2 ms，在單元1 204處，最小應(yīng)力為22.111 4 Pa；在單元308處，最大應(yīng)力為0.122 416 GPa).

圖7 9種工況下LNG儲(chǔ)罐最大應(yīng)力

圖8 工況7儲(chǔ)罐罐壁應(yīng)力最大時(shí)沿厚度方向的應(yīng)力分布

文中建立的模型是沿壁厚方向劃分2個(gè)單元，罐壁上部撞擊點(diǎn)沿厚度方向的單元外側(cè)為285，內(nèi)側(cè)為281.在工況8條件下，其應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線見圖9和圖10.

由圖9和圖10可以看出，質(zhì)量塊撞擊罐口的應(yīng)力波快速向內(nèi)部擴(kuò)散，在撞擊后0.2 ms時(shí)外側(cè)285單元應(yīng)力達(dá)到最大，為122.0 MPa；在撞擊后0.45 ms時(shí)，內(nèi)側(cè)281單元應(yīng)力達(dá)到最大，為19 MPa.最大應(yīng)力主要集中在外壁尖角處和內(nèi)壁與穹頂轉(zhuǎn)折處.因此，建議在設(shè)計(jì)建造中，應(yīng)加強(qiáng)這部分混凝土強(qiáng)度，增加厚度，避免嚴(yán)重破壞.

圖9 285號(hào)單元應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

圖10 281號(hào)單元應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

撞擊點(diǎn)外壁外側(cè)285單元最大應(yīng)力大于動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，內(nèi)側(cè)的281單元未達(dá)到動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，因此，在質(zhì)量塊撞擊LNG儲(chǔ)罐罐壁上部時(shí)，外側(cè)混凝土失效，而內(nèi)側(cè)混凝土安全.LNG儲(chǔ)罐在此種工況下罐體能夠基本保持完整[16].

5 結(jié)論

(1) 在質(zhì)量塊的質(zhì)量和速度一定的情況下，質(zhì)量塊撞擊儲(chǔ)罐罐壁不同位置時(shí)，其應(yīng)力在上部最大；在質(zhì)量一定，速度不同的情況下，質(zhì)量塊以速度為70 m/s撞擊儲(chǔ)罐時(shí)，對LNG儲(chǔ)罐罐壁的影響最大，隨著時(shí)間的增加應(yīng)力擴(kuò)散的范圍逐漸增加.

(2)撞擊點(diǎn)在罐壁上部的工況中，工況7條件下儲(chǔ)罐應(yīng)力最大，罐體表面混凝土失效，但內(nèi)部混凝土并未發(fā)生破壞.

(3) 沖擊荷載只會(huì)影響到儲(chǔ)罐撞擊點(diǎn)局部應(yīng)力的變化，產(chǎn)生高應(yīng)力、大應(yīng)變，對其他部分基本不會(huì)產(chǎn)生影響.