儲液罐地震安全問題研究綜述

方 浩吳 昊王篤國陳國星

1）中國石油化工股份有限公司天然氣分公司，北京 100029

2）中國地震災害防御中心，北京 100029

儲液罐地震安全問題研究綜述

方 浩1)吳 昊2)王篤國2)陳國星2)

1）中國石油化工股份有限公司天然氣分公司，北京 100029

2）中國地震災害防御中心，北京 100029

儲液罐的地震安全問題主要涉及到抗震設防水準的確定和儲液罐本身的抗震設計。本文簡要介紹了儲液罐的震害現象及機理，對比分析了中國、美國、歐洲等國家有關儲液罐抗震設防水準，并闡述了國內外學者在儲液罐抗震計算方面所做的工作及獲得的成果，同時還指出了存在的問題和今后研究工作的發(fā)展趨勢。

儲液罐 抗震設防標準 耦合

引言

在全球經濟快速發(fā)展的今天，石油依然是經濟發(fā)展的重要資源，雖然我國是石油大國，有著豐富的石油儲藏，但是每年仍需進口大量的石油以滿足國民經濟快速發(fā)展的需求。為此，我國必須進一步增加石油儲備資源，以減少國際局勢動蕩對我國經濟的影響。而儲液罐在石油、化工等行業(yè)中已被廣泛應用，早在上世紀60、70年代，委內瑞拉、日本和沙特阿拉伯就已經相繼建成了15萬m3、16萬m3、24萬m3的大型浮頂油罐，在歐洲也出現了30萬m3以上的立式儲液罐。而我國的大型浮頂油罐建設在上世紀70年代才開始，并且在2000年以前我國的儲液罐建設全部依賴日本，儲液罐造價居高不下，從設計到建造都處于學習摸索階段。2000年以后，我國儲液罐建造技術逐漸成熟，已經具備了大型儲液罐設計、建造的能力，設計能力已達20萬m3。2007年在福建青嵐山建成了2座15萬m3的大型儲液罐；2008年在上海白沙灣建成了8座15萬m3的大型儲液罐；2012年即將進行江蘇儀征3座15萬m3的大型原油儲罐建設。我國大型儲液罐的建設已經進入了全面發(fā)展的新階段。

地震災害是人類各種自然災害中最大的一種災害，而大型儲油罐則是石油化工設備中震害最大的設備，在歷次地震中儲油罐遭到嚴重破壞的現實，引起了國內外學者對儲液罐研究的極大興趣。對儲液罐動力特性的研究可以追溯到1883年，它是由Rayleigh等人對充液圓柱殼振動所做的工作。而實際儲液罐的抗震研究是從20世紀30年代開始的。由于地震的直接破壞作用及其嚴重的次生災害，半個多世紀以來，學者們對儲液罐的抗震研究主要集中在從震害調查、抗震設防水準、理論分析和實驗研究等方面。為此各國都先后形成了自己的抗震規(guī)范，但是仍有不少按照規(guī)范設計的儲液罐在地震中遭到破壞，所以，儲液罐地震安全問題研究仍然是目前的一個熱門領域。

1 震害現象及其分析

1964年3月27日，美國阿拉斯加發(fā)生8.4級地震，地震中1座錐頂罐的罐壁與頂板的連接處發(fā)生破壞，罐壁中部和下部發(fā)生屈曲；有的儲罐罐壁與罐底環(huán)形板之間的角焊縫發(fā)生破裂，接管開口處被破壞（徐英等，2005）。

1964年6月16日，日本新瀉發(fā)生7.5級地震，地震中儲罐發(fā)生破壞后引起爆炸和大火，火災延續(xù)15天，燒毀84座儲罐。同時部分儲罐基礎發(fā)生砂土液化和地裂，造成基礎的不均勻沉降，引起各相關部位發(fā)生破壞，導致儲液漏出，甚至出現儲液罐倒塌現象；地震中有 1座30000m3的油罐約160t重的浮頂因油面晃動被拋起，機械密封脫落，浮頂再次下降時，因與罐壁沖擊，引燃油氣發(fā)生火災。

1976年7月28日，中國唐山發(fā)生7.8級地震，天津化工廠和唐山鋼廠各有2座1000m3的燃料油罐最下圈壁板發(fā)生外屈曲，角焊縫開裂，罐內儲油全部泄漏；罐壁與罐底環(huán)形板之間的角焊縫和最下層壁板與第二層壁板之間的環(huán)焊縫開裂多處；唐山市地震烈度為11度的地區(qū)，有2座1000m3無力矩油罐罐壁下部有明顯外凸，其中1座罐壁與底板連接處開裂，形成長2250mm、高80mm的裂口，罐內300多噸汽油全部漏出；在地震烈度為8度的地區(qū)，有1座正在建設的5000m3拱頂油罐由于罐基礎出現噴砂現象把罐底向上頂起，形成錐體，罐底中心比周邊高出500mm，使板底與基礎脫離；另1座1000m3無力矩油罐，在東南一側下沉約500mm，并向東南方向移動70mm，油罐傾斜，油品從罐頂上部入孔溢出。

1978年阿根廷地震和1980年美國加州中部地震，造成近100座油罐破壞（初大勇等，2005）。1995年1月17日，日本阪神地區(qū)發(fā)生7.2級地震，港口區(qū)有幾座液化石油氣罐，其中1座出現裂縫，迫使70000人臨時疏散。岸邊2組大型球罐（每組3個）有緊固的對角管支撐，未受到損害。

從歷次儲液罐震害調查的結果看，其震害可以歸納為以下幾種類型：

（1）罐壁的破環(huán)。圓柱形薄壁金屬儲液罐的外壁局部失穩(wěn)是常見的破壞形式。這種管壁的失穩(wěn)又分為兩種形式：象足鼓脹和菱形褶皺。前者是罐壁由于豎向受壓使其向外凸出發(fā)生塑性變形，并且這種變形發(fā)生在同一水平帶上。1971年的費爾南多地震、1976年的唐山地震、1980年加州中部迪亞布洛山地震，均造成了儲液罐象足鼓脹失穩(wěn)。通過震害分析可知，發(fā)生這種失穩(wěn)的原因主要有：儲液罐在滿罐時容易發(fā)生象足失穩(wěn)，空罐或半罐時不易發(fā)生；象足失穩(wěn)多發(fā)生于非錨固儲液罐，而錨固儲液罐很少發(fā)生，說明罐底的提離可能是導致象足失穩(wěn)的重要因素。

（2）罐頂的損壞。大型儲液罐罐頂分為固定頂和浮頂兩類。前者多采用錐頂或拱項；后者又分為外浮頂和內浮頂。內浮頂儲液罐是在拱頂儲液罐內部增設可隨液面上下移動的浮盤而成，用以減少介質的揮發(fā)；外浮頂只有可隨液面上下移動的浮盤，而沒有固定的罐頂。固定頂儲液罐的罐頂破壞主要有：罐頂與罐壁連接處開裂或屈曲等；浮頂儲液罐罐頂的破壞主要有：浮頂上部構件損壞。罐頂的破壞主要是由于液體的晃動對罐頂造成的沖擊而引起的。

（3）罐底板、錨固件和罐底貼角處焊縫的破壞。這些破壞主要是由于罐底的提離或基礎的不均勻沉降而引起的。罐底與壁板的連接處是儲液罐受力最復雜、最危險之處，一旦遭遇地震很容易發(fā)生破壞。

（4）管道接頭及附件的破壞。這種破壞主要是由于儲液罐與附件的位移不一致而造成的。

（5）軟土地基沉陷、液化等引起罐體強度及穩(wěn)定方面的破壞。

2 抗震設防水準

我國現行的儲罐抗震規(guī)范主要包括國家標準《構筑物抗震設計規(guī)范（GB 50191—93）》（中華人民共和國國家標準，1993）和行業(yè)標準《石油化工鋼制設備抗震設計規(guī)范（SH 3048—1999）》（中華人民共和國行業(yè)標準，1999）、《鋼制常壓立式圓筒形儲罐抗震鑒定標準（SHT 3026—2005）》（中華人民共和國石油化工行業(yè)標準，2005）。其中，2005年最新修訂的標準SHT 3026—2005應用最廣泛，它是在《構筑物抗震設計規(guī)范（GB 50191—93）》（中華人民共和國國家標準，1993）的基礎上，修訂了一些參數和內容，并與《建筑抗震設計規(guī)范（GB 50011—2001）》（中華人民共和國國家標準，2001）協(xié)調一致。

我國石油化工行業(yè)標準SHT 3026—2005與建筑物抗震設計規(guī)范思路一致，采用地區(qū)50年超越概率10%的基本地震烈度作為設防烈度。設防目標是當遭受本地區(qū)設防烈度地震影響時，儲罐可能損壞但經一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用。類似建筑物抗震設計中“中震可修”的概念，在多遇地震作用下進行承載力設計，以達到中震可修的設防目標。

對比中國、美國、歐洲的儲罐抗震設防要求（李揚，2009）可以看出，歐洲和美國進行鋼制儲罐抗震設計遵循的規(guī)范主要是歐洲建筑規(guī)范EN1998-4（2004版）（European Committee for Standardization，2004）和美國API650附錄E（2007版）（American Petroleum Institute，2007）。

通過對中國鑒定標準、歐洲和美國儲罐抗震規(guī)范的對比，3個抗震規(guī)范抗震設防標準存在不少區(qū)別，具體分析如表1所示。

表1 各規(guī)范抗震設防水準與抗震設防目標對比Table 1 Fortification levels and goals from different seismic codes

美國 API650是采用構筑物抗倒塌目標為抗震設防目標。由于美國東西部地區(qū)地震危險性存在顯著差異，過去使用地震重現期475年的地震動作為基準設防地震作用，會使得各地區(qū)抗倒塌風險概率不一致。因此，為實現統(tǒng)一抗倒塌水平的設防目標，借助最大可能地震MCE（50年超越概率2%的地震動）來定義設防地震作用。根據經驗，設防地震作用取為最大可能地震MCE的2/3，這樣與原來設防水準相比，美國中部和東部地區(qū)基準設防地震作用明顯提高；而西部地區(qū)則基本保持重現期475年的水準。

歐洲EC-8采用2種水準抗震設防。①極限破壞要求：在該水準地震作用下儲罐能夠保持完整性和最基本的操作功能，即儲液沒有出現泄露和外溢、晃動液體對罐壁和灌頂破壞有限、罐體連接管線正常工作等；②不倒塌要求：相當于我國“中震”設防水準，儲罐在該水準下保持整體穩(wěn)定性，罐體屈曲變形能得到控制，不發(fā)生大量儲液外泄。歐洲 EC-8在“不倒塌要求”水準下進行結構強度設計。

綜合來看，我國標準與美國API650、歐洲EC-8抗震設防水準基本相當，但歐洲EC-8“不倒塌要求”的設防目標偏低。

目前，我國在油罐項目地震安全性評價工作報告中，如：“曹妃甸原油商業(yè)儲備基地工程場地地震安全性評價報告”、“天津國家石油儲備基地工程和天津原油商業(yè)儲備基地工程場地地震安全性評價報告”，一般給出50年超越概率63%、10%、3%和100年超越概率2%的設計地震動參數供設計部門使用。采用的反應譜形式為《石油化工鋼制設備抗震設計規(guī)范（SH 3048-1999）》（中華人民共和國行業(yè)標準，1999）推薦的反應譜形式。

3 抗震計算理論

儲液罐的抗震研究始于20世紀30年代中期，早期主要研究儲罐運動及剛性壁動水壓力，并建立了基于剛性罐壁分析的抗震設計方法。1964年美國阿拉斯加地震中大量油罐被破壞，促使人們將研究重心轉向柔性罐。柔性儲液罐的振動問題是典型的固-液耦合問題，它涉及到相互聯(lián)系、相互作用的兩種不同介質，這一特點使得它比剛性儲液罐的研究更為復雜。早期的研究一般都是假定罐底固定不動，這類假設對于錨固罐是適用的，但是應用于非錨固罐上，就會造成較大的誤差。由于錨固罐與非錨固罐存在較大的差別，因此儲液罐的抗震研究又分為以錨固罐和非錨固罐兩條主線。

3.1 錨固罐

在20世紀30、40年代中期，Hoskins等（1934）進行了剛性儲液罐研究的開創(chuàng)性工作。Housner（1957）提出的質量-彈簧系統(tǒng)的模型影響較為深遠，該模型假設液體無旋、不可壓，且流體質點位移為小量，將地震引起的作用在剛性壁上的動液效應分為脈沖分量和對流分量。但Housner（1957）的模型沒有考慮罐壁的彈性變形與液體的耦聯(lián)及儲罐與地基的相互作用，其給出的地震剪力和地震彎矩偏低，按其理論設計的大量美國儲罐在1964年的阿拉斯加地震中遭到破壞，從而促使人們去研究液體和罐壁的耦聯(lián)振動問題，即按彈性罐壁考慮儲液罐振動。基于Chopra關于壩-庫水系統(tǒng)動水壓力研究工作（Habenberger，2003）考慮柔性罐壁與液體耦聯(lián)振動的影響，較著名的理論為Veletsos理論。該理論表明，柔性儲液罐的動水壓力比假定為剛性壁罐時的動水壓力大得多，說明剛性罐壁低估了動水壓力的影響，剛性罐壁的假定在抗震設計中是偏于不安全的。

第一位應用有限元方法研究罐-液藕合振動的是 Edwards（1969）。后來用有限元理論研究儲罐抗震的主要有 Haroun（1983）。罐體采用殼理論，流體應用勢流理論，結構和流體的位移是小量，整個研究按線性處理。采用三維有限元計算固有特性和動力響應，從理論上說這種分析是合理的，它能夠真實的從數值上模擬儲罐的振動情況，但缺點是計算量太大，尤其再考慮非線性，程序無法編制，工程上很難應用。

Harnoun等（1981）將罐內液體看作一連續(xù)體，應用速度勢理論和邊界積分法將液體的質量轉化為附加質量而施加到罐壁上，同時，對罐壁則用四自由度環(huán)殼進行有限元離散。該方法使得系統(tǒng)的自由度數大為減少。

Hwang等（1989）將罐壁和流體分成2個子結構，由液體的動壓力將2個子結構聯(lián)系起來，罐壁的位移用空罐的前幾個固有頻率的線性組合來表示，在流體域用邊界積分確定液動壓力，再將其組合到罐的有限元方程中，在忽略液體自由表面晃動的情況下，分析了柔性儲液罐對任意地面運動的反應。

Lay（1993）用類似的方法對充液圓柱罐和球罐作了地震反應時程分析。對儲罐簡化分析模型的研究歷來受到重視，其中，Haroun-Housner模型（Haroun，1983）已經被我國儲罐抗震鑒定標準所采納（中華人民共和國石油化工行業(yè)標準，2005），該模型考慮了對流分量、柔性脈動分量（隨罐壁同步運動）和剛性脈動分量（隨地面一起運動）。

曹志遠等（1986）研究了流體介質的半解析處理方法，并和結構有限元一起建立一種組合單元，采用結構與流體泛函的聯(lián)合變分，建立耦聯(lián)算式，以解決流體與結構動力相互作用問題，可以給出液面晃動特性和考慮結構變形的動水壓力分布。

目前，對錨固儲液罐的研究已經得出了以下一些結論：儲液罐容器的動力響應在環(huán)向主要是多波的殼體振動，而非梁式振動；罐體的彈性變形增加了動水壓力，液體的晃動影響在罐體的響應中是重要的；罐體振動模態(tài)由豎向模態(tài)和環(huán)向模態(tài)組合構成；在相同幅值振動力作用下，水平振動要比豎向振動容易使儲液罐出現失穩(wěn)；“象足效應”和“菱形效應”破壞是穩(wěn)定問題；脈動壓力與晃動壓力之間耦合作用很弱。

3.2 非錨固罐

非錨固罐的抗震研究起步較晚，真正用于工程實際的研究成果更少。目前主要研究提離機理及失穩(wěn)、強度破壞等問題。罐的提離振動非常復雜，涉及到底板、罐壁的幾何非線性，罐底與地基的邊界非線性，國內外多采用模型試驗和理論研究相結合的途徑。

非錨固罐提離實驗研究始于1964年阿拉斯加地震后，Clough領導的地震工程研究中心（EERC）從1977年到1982年進行了一系列大規(guī)模的實驗研究。陳厚群等（1990）按幾何相似原理模擬了5×104m3浮頂油罐，進行了抗震試驗研究，試驗證明罐壁振動的動力放大效應十分顯著，罐壁地震反應中的多波效應非常突出，油罐罐底翹離影響很大，浮頂能顯著降低晃動波高。Liu等（1983）將底板視為剛性，罐體傾斜小角度，用有限元進行求解。Ralf Peek等（1988）采用有限差分法進行了翹離計算，這些工作都是采用二維模型。Cambra（1982）也提出了一個近似分析方法。

20世紀80年代中期至90年代，國內學者對油罐的抗震安全分析進行了大量的試驗及理論研究，如：采用化學震爆（韋樹蓮等，1986a；1986b；徐振賢等，1986）、地震臺激勵（覃柳林等，1986；秦延龍等，1986；李長舁等，1990）等方法，對非錨固模型罐的動態(tài)響應、液面波動、底板提離、屈曲等進行了一系列的研究。沈國光等（1990）、李德篤等（1990）對粘性波浪及儲液罐液面安全超高進行了研究，并考慮了阻尼的影響。周建明等（1990）提出了儲液翹離影響的近似計算。韋樹蓮等（1986a；1986b）進行了模型罐的屈曲破壞試驗。唐友剛等（1996；1997a；1997b）對儲液罐翹離進行了實驗研究，并對液-固-土耦合非線性振動進行了研究，提出了儲液罐翹離振動分析理論，給出了考慮翹離的儲液罐地震響應的計算方法。

隨著計算機技術的發(fā)展，有限元分析技術也得到了發(fā)展，能夠考慮多種非線性因素的影響。Ali（2000；2002）在其博士論文中采用DYNAZ軟件對非錨固儲液罐的非線性地震時程響應進行了研究，該程序考慮了液面的大幅晃動、幾何非線性、材料非線性、接觸非線性等。日本學者采用有限元計算及大比例模型臺實驗的方法進行了儲罐抗震的相互驗證（Hideyuld Tazuke等，2002），結果表明實驗與有限元分析結果很接近，并由此將有限元計算推廣到一個實際儲罐的計算方法中。近年來，國內學者采用有限元方法對儲罐的抗震問題進行了一系列的研究，如：儲罐耗能減震、場地土對油罐性能影響、基于損傷的抗提離研究等（秦小勇，2002；周利劍，2003；王莉莉，2003；劉煥忠，2004）。

根據目前已有的研究結果，得到的有關非錨固罐的主要結論有：無錨固儲液罐的主要動態(tài)特征就是提離和它的非線性；無錨固罐的動力響應遠大于錨固罐的情況；提離時儲液罐的動態(tài)放大效應十分顯著；提離振動和變形是多重非線性的，線性分析不能反映提離的動態(tài)特性；柔性基礎與剛性基礎相比，能夠增加提離高度，降低罐壁底部豎向應力集中程度；“象足屈曲”是由于環(huán)向應力和豎向應力共同作用的結果；臨界屈曲應力高于規(guī)范的建議值，也高于其他提離簡化模型的計算值；菱形屈曲是在接近屈曲極限的環(huán)向應力和超過屈曲臨界值的豎向應力共同作用的結果；“象足效應”和“菱形屈曲”是由提離導致失穩(wěn)而破壞的問題。

4 現階段研究及展望

近年來，越來越多的大型儲液罐建在軟弱場地上，由于罐液晃動周期較長，軟土場地長周期成份地震波豐富，因此，軟土-罐-液耦合作用問題一直是研究的重點。合理確定不同型號的儲液罐的抗震設防標準尤其重要。在儲液罐抗震設計方面，我國學者在儲液罐的抗震研究方面多集中于無錨固儲液罐，特別是針對其強度、剛度和穩(wěn)定性等問題。采用有限元法模擬分析其在地震激勵作用下的響應；同時還采用了一些實驗方法進行研究，對理論成果進行了驗證，為儲液罐的抗震設計提供依據。儲液罐抗震研究非常復雜，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。在今后的工作中還需要考慮非軸對稱載荷和罐的幾何缺陷等對失穩(wěn)條件的影響，國內進行模型試驗研究較少，今后應予以重視，以達到理論與實踐的統(tǒng)一。

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Ralf Peek, 1988. Analysis of unanchored liquid storage tanks under lateral loads. Earthquake Engineer and Structure Dynamics, 16 (7): 1087—1100.

An Overview on Earthquake Safety of Liquid Storage Tank

Fang Hao1), Wu Hao2), Wang Duguo2)and Chen Guoxing2)

1）Sinopec Gas Company, Beijing 100029, China
2）China Earthquake Disaster Prevention Center, Beijing 100029, China

The determination of seismic fortification standards and the anti-seismic design of tanks are two main issues in earthquake safety of liquid storage tanks. In this paper we briefly describe the damage phenomena of the tanks and their mechanism, then compare and analyze the earthquake-proof standards of China, the United States and Europe. After summarizing the current results from Chinese and foreign scholars on the seismic fortification calculation of the liquid storage tank, we point out some existing problems and the development trend in future research.

Liquid storage tanks; Seismic fortification standard; Coupling

方浩，吳昊，王篤國，陳國星，2012. 儲液罐地震安全問題研究綜述. 震災防御技術，7（2）：144—151.

2012-04-24

方浩，男，生于1963年。中國石油化工股份有限公司天然氣分公司高級工程師。主要研究方向：石化工業(yè)油氣儲運。E-mail：fanghao9999@vip.sina.com