爆炸載荷作用下大型原油儲(chǔ)罐動(dòng)力響應(yīng)分析

朱立富，閻善郁，潘科

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爆炸載荷作用下大型原油儲(chǔ)罐動(dòng)力響應(yīng)分析

朱立富1，閻善郁2，潘科2

(1.大連交通大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,遼寧 大連 116028； 2.大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

采用ANSYS/LS-DYNA實(shí)現(xiàn)了碎片撞擊儲(chǔ)罐的有限元模擬，建立了儲(chǔ)罐響應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，分析了儲(chǔ)罐響應(yīng)的主要因素.在模擬中，依次改變碎片質(zhì)量、撞擊速度、撞擊接觸面積、撞擊入射角度，討論各因素對(duì)儲(chǔ)罐動(dòng)力響應(yīng)的影響.結(jié)果表明，碎片質(zhì)量、撞擊速度、撞擊入射角度與儲(chǔ)罐穩(wěn)定性正相關(guān)，而撞擊接觸面積與之負(fù)相關(guān).本研究創(chuàng)新性的提出通過(guò)改變儲(chǔ)罐壁材料或厚度的方法，來(lái)減少碎片撞擊儲(chǔ)罐的動(dòng)力響應(yīng).對(duì)爆炸載荷作用下的大型原油儲(chǔ)罐失效預(yù)防具重大的意義.

爆炸載荷；動(dòng)力響應(yīng)；數(shù)值模擬；失效預(yù)防

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)原油需求量逐年增加，儲(chǔ)罐及儲(chǔ)備庫(kù)的大型化集約化發(fā)展，雖然給國(guó)家原油儲(chǔ)備提供了便利，但也帶來(lái)了一些災(zāi)難性事故隱患.據(jù)統(tǒng)計(jì)全球范圍內(nèi)平均每年發(fā)生的儲(chǔ)罐火災(zāi)爆炸事故約有 4～5起[1].其中，爆炸碎片引發(fā)的連鎖破壞是較為普遍的，且事故往往會(huì)造成非常嚴(yán)重的后果.碎片撞擊周?chē)墓に囋O(shè)施、設(shè)備，使更多的能量意外釋放，加大事故后果嚴(yán)重性，爆炸載荷的沖擊使周?chē)O(shè)備設(shè)施的材料發(fā)生彈塑性變形，需要使用彈塑性相關(guān)理論對(duì)撞擊過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析[2].Park[3]等人研究了具有初動(dòng)能的剛性鐵塊撞擊懸臂梁的動(dòng)力響應(yīng).Hauptmanns[4- 5]預(yù)測(cè)了碎片拋射方位及各方位概率，繼而求取了周?chē)骋粌?chǔ)罐被碎片水平擊中的概率；Nguyen[6]認(rèn)為當(dāng)碎片撞擊儲(chǔ)罐的撞擊深度達(dá)到儲(chǔ)罐壁的厚度，或者撞擊后產(chǎn)生的殘余壁厚小于儲(chǔ)罐壁材料支撐所需厚度的臨界值時(shí)就會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐破壞泄漏事故.臨界殘余壁厚的求解涉及到復(fù)雜的局部應(yīng)力分析，因而求解也具有一定困難.Mébarki[7- 8]建立了根據(jù)碎片質(zhì)量、速度、碎片的撞擊面積直徑和撞擊角度求解撞擊深度的計(jì)算公式，為進(jìn)一步建立碎片撞擊儲(chǔ)罐的破壞模型奠定了基礎(chǔ).陳剛[9]考慮碎片初始的拋射高度和水平拋射位移對(duì)碎片撞擊儲(chǔ)罐的擊中概率的影響.本文采用ANSYS/LS-DYNA實(shí)現(xiàn)了碎片撞擊儲(chǔ)罐的有限元模擬，建立了儲(chǔ)罐響應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，分析了儲(chǔ)罐響應(yīng)的主要因素.

1 碰撞模型

ANSYS/LS-DYNA處理爆炸撞擊的算法遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒方程[9]：

(1)屈服準(zhǔn)則[10]

對(duì)于儲(chǔ)罐的材料，采用Von-Mises屈服準(zhǔn)則，即當(dāng)應(yīng)力偏量第二不變量J2滿足下式時(shí)，材料發(fā)生屈服：

(1)

(2)材料的破壞[11]

材料的破壞準(zhǔn)則主要考慮瞬時(shí)破壞準(zhǔn)則和累積損傷準(zhǔn)則.瞬時(shí)破壞準(zhǔn)則是以靜水壓力和材料密度的斷裂臨界值ps、 ρs為基礎(chǔ)的，即當(dāng)p≤ps,ρ≤ρs時(shí)，網(wǎng)格中的材料瞬時(shí)發(fā)生破壞，置p=0,Sij=0.材料破壞后，計(jì)算網(wǎng)格中的任何剪切應(yīng)力和靜水壓力均置為零，密度不低于ρs.

2 模型模擬

在具體模擬過(guò)程中，采用ALE列式算法進(jìn)行模擬分析.根據(jù)大型儲(chǔ)罐的儲(chǔ)罐壁的厚度較內(nèi)徑可以視為板材的特點(diǎn)，本文儲(chǔ)罐壁的單元選用THINSHELL163 即薄殼單元.通過(guò)實(shí)參數(shù)定義薄壁厚度，為0.15 m.碎片的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為立方體，使用三維實(shí)體單元SOLID164.碎片來(lái)源于儲(chǔ)罐，所以儲(chǔ)罐和碎片的模型參數(shù)一致.本文研究的鋼材其彈性模量為2.06×1011Pa、密度為7 850 kg/m3、柏松比為0.3、屈服強(qiáng)度為3.25×108Pa和切線模量2.06×109Pa；原油的密度為998 kg/m3、壓力截止值-10 Pa、動(dòng)力粘性系數(shù)為1.01×10-3、其余參數(shù)為0.

根據(jù)Lepareux和Neilson的實(shí)驗(yàn)[11]以及本文研究的儲(chǔ)罐特點(diǎn)，確定本文研究模型基本參數(shù)入射角α：30°～70°；碎片質(zhì)量mp：250～700 kg；撞擊接觸面積：0.01～0.05 m2；撞擊速度νp：40～120 m/s.

圖1 有限元模擬流程圖

模擬過(guò)程如圖1所示，首先建立工作目錄和設(shè)置工作名稱，然后進(jìn)行單元類型選擇，對(duì)單元進(jìn)行材料參數(shù)定義，也可在生成的K文件中進(jìn)行修改.分別建立儲(chǔ)罐、碎片、原油幾何模型，然后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加約束.定義求解時(shí)間，本文定義求解時(shí)間為25 ms.也可通過(guò)指定的節(jié)點(diǎn)或剛性體位移達(dá)到某一特定的位置，即當(dāng)碎片X軸向距離達(dá)到15 cm時(shí)，求解結(jié)束.適用于LS-DYNA輸出的文件為二進(jìn)制結(jié)果文件d3polt，可以通過(guò)lsprepost后處理軟件讀取d3plot文件，顯示模擬結(jié)果.

通過(guò)LS-DYNA求解器軟件LS-PREPOST可以顯示出模擬結(jié)果.圖2為碎片撞擊儲(chǔ)罐的過(guò)程圖V-M等效應(yīng)力云圖.圖3(a)為碎片撞擊過(guò)程中結(jié)構(gòu)的X軸方向位移云圖，從圖中我們可以看出不同單元在某一時(shí)刻的位移變化，在0.015 003這一時(shí)刻，最大位移為0.117 519 m，發(fā)生在16 376#；圖3(b)為碎片撞擊過(guò)程中結(jié)構(gòu)的X軸方向加速度云圖，從圖中我們可以看出不同單元在某一時(shí)刻的加速度的變化,在0.000 994 95這一時(shí)刻，最大加速度736 947 m/s2，發(fā)生在125 434#(該單元屬于碎片)，圖中顏色的變化說(shuō)明了應(yīng)力、位移、加速度等參數(shù)隨時(shí)間的變化而變化.

(a)位移云圖

(b)加速度云圖

3 討論

3.1 撞擊速度的影響分析

改變碎片撞擊速度討論撞擊速度對(duì)整個(gè)過(guò)程的影響，模擬中分別以120、110、100、90、80、70、60、50、40 m/s的速度撞擊儲(chǔ)罐，響應(yīng)結(jié)果見(jiàn)圖4所示.

圖4 碎片速度對(duì)X軸向位移及加速度最大值的影響

圖4為在不同碎片速度撞擊下的X軸向位移、X軸向加速度最大值曲線.儲(chǔ)罐的X軸向位移、X軸向速度最大值隨碎片撞擊速度的增加而增加，且幅度很大，說(shuō)明初始撞擊速度對(duì)撞擊效果影響很大.當(dāng)撞擊速度大于110 m/s時(shí)，儲(chǔ)罐將被碎片擊破，進(jìn)而儲(chǔ)罐失效.隨著初始撞擊速度的增大，碎片的動(dòng)能越大，且撞擊罐體的過(guò)程中所受的罐體的抗力減小，其消耗的能量也越來(lái)越少.從圖中可以看出，撞擊速度越大，X軸向加速度最大值越大，表明那一時(shí)刻運(yùn)動(dòng)變化越大，破壞作用也越大，對(duì)儲(chǔ)罐造成的損害就越大.總之，碎片撞擊速度與儲(chǔ)罐動(dòng)力響應(yīng)成正相關(guān)，撞擊速度越大，對(duì)儲(chǔ)罐造成的影響越大.

3.2 碎片接觸面積的影響

改變碎片與罐體撞擊時(shí)的接觸面積，討論接觸面積對(duì)整個(gè)過(guò)程的影響.模擬中碎片撞擊儲(chǔ)罐的接觸面積分別為0.01、0.015、0.02、0.025、0.03、0.035、0.04、0.045、0.05 m2，響應(yīng)結(jié)果見(jiàn)圖5所示.

圖5 接觸面積對(duì)X軸向位移及加速度最大值的影響

圖5為在不同接觸面積撞擊下的X軸向位移和X軸向加速度最大值曲線.儲(chǔ)罐的X軸向位移和X軸向加速度最大值隨撞擊接觸面積的增加而減小，且幅度很大，說(shuō)明接觸面積對(duì)撞擊效果影響很大.當(dāng)接觸面積小于0.015 m2時(shí)，儲(chǔ)罐將被碎片擊破，進(jìn)而儲(chǔ)罐失效.隨著接觸面積的增大，碎片撞擊過(guò)程中消耗的能量也就越大，撞擊罐體的過(guò)程中所受的罐體的抗力變大，X軸向位移就會(huì)變小.圖5說(shuō)明，接觸面積越大，X 軸向加速度最大值越小，表明那一時(shí)刻運(yùn)動(dòng)變化越小，破壞作用也越小，對(duì)儲(chǔ)罐造成的損害就越小.總之，撞擊接觸面積與儲(chǔ)罐動(dòng)力響應(yīng)成負(fù)相關(guān)，接觸面積越小，對(duì)儲(chǔ)罐造成的影響越大.

3.3 碎片質(zhì)量的影響

通過(guò)改變碎片質(zhì)量，討論碎片質(zhì)量對(duì)整個(gè)過(guò)程的影響，模擬中分別以質(zhì)量為250、300、350、400、450、500、550、600、650、700 kg的碎片撞擊儲(chǔ)罐，碎片的質(zhì)量可以可以在lsprepost中的繪圖控制區(qū)選中MAT的PLASTIC_KINEMATIC對(duì)碎片質(zhì)量進(jìn)行修改響應(yīng)結(jié)果見(jiàn)圖6所示.

圖6 碎片質(zhì)量對(duì)X軸向位移及加速度最大值的影響

圖6為不同質(zhì)量的碎片撞擊下的X軸向位移和X軸向加速度最大值曲線.儲(chǔ)罐的X軸向位移和X軸向加速度最大值隨碎片質(zhì)量的增加而增加，且幅度很大，說(shuō)明碎片質(zhì)量對(duì)撞擊效果影響很大.當(dāng)碎片質(zhì)量大于650 kg時(shí)，儲(chǔ)罐將被碎片擊破，進(jìn)而儲(chǔ)罐失效.隨著碎片質(zhì)量的增大，碎片的動(dòng)能越大，且撞擊罐體的過(guò)程中所受的罐體的抗力減小，其消耗的能量也越來(lái)越少.圖6說(shuō)明，碎片質(zhì)量越大，X軸向加速度最大值越大，表明那一時(shí)刻運(yùn)動(dòng)變化越大，破壞作用也越大，對(duì)儲(chǔ)罐造成的損害就越大.總之，碎片質(zhì)量與儲(chǔ)罐動(dòng)力響應(yīng)成正相關(guān)，碎片質(zhì)量越大，對(duì)儲(chǔ)罐造成的影響越大.

3.4 碎片撞擊角度的影響

改變?nèi)肷浣嵌?，討論撞擊速度?duì)整個(gè)過(guò)程的影響.模擬中，碎片在X-Z平面內(nèi)分別以與X軸方向成30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°的方向撞擊儲(chǔ)罐.響應(yīng)結(jié)果見(jiàn)圖7所示.

圖7 撞擊角度對(duì)X軸向位移及加速度最大值的影響

圖7為不同質(zhì)量的入射角度撞擊下的X軸向位移和X軸向加速度最大值曲線.儲(chǔ)罐的X軸向位移和X軸向加速度最大值隨入射角度的增加而增加，且幅度很大，說(shuō)明入射角度對(duì)撞擊效果影響很大.當(dāng)入射角度大于65°時(shí)，儲(chǔ)罐將被碎片擊破，進(jìn)而儲(chǔ)罐失效.隨著入射角度的增大，碎片的X軸方向的分動(dòng)能越大，且撞擊罐體的過(guò)程中所受的罐體的抗力減小，其消耗的能量也越來(lái)越少.圖7說(shuō)明，入射角度越大，X軸向加速度最大值越大，表明那一時(shí)刻運(yùn)動(dòng)變化越大，破壞作用也越大，對(duì)儲(chǔ)罐造成的損害就越大.總之，碎片入射角度與儲(chǔ)罐動(dòng)力響應(yīng)成正相關(guān)，入射角度越大，對(duì)儲(chǔ)罐造成的影響越大.

4 失效安全防護(hù)

從討論部分分析儲(chǔ)罐動(dòng)力響應(yīng)影響因素的結(jié)果，我們得出了碎片質(zhì)量和碎片的撞擊速度越大，將導(dǎo)致儲(chǔ)罐更容易失效.可以考慮增加安全防護(hù)距離、改變儲(chǔ)罐罐壁、增加壁厚的方向進(jìn)行分析.

4.1 選址與布置

罐區(qū)的廠址選擇與布置應(yīng)符合《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》所規(guī)定的區(qū)域規(guī)劃與工廠總平面布置、儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施、消防等的防火要求.

(1)罐區(qū)與周?chē)O(shè)施、建(構(gòu))筑物的安全距離：考慮周?chē)O(shè)施物料揮發(fā)、耐火等級(jí)、有無(wú)可燃蒸氣散發(fā)和有無(wú)明火等原因，要至少保證《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》4.1.9所規(guī)定的最小防火間距[12].如居民區(qū)等八大類場(chǎng)所應(yīng)保證的間距要大于100 m，與廠外公路應(yīng)保證的間距要大于20 m，與變配電站應(yīng)保證的間距要大于50 m，高架火炬應(yīng)保證的間距要大于90 m，明火地點(diǎn)應(yīng)保證的間距要大于40 m等;

(2)儲(chǔ)罐之間的間距：按照《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐之間的防火間距應(yīng)大于0.4D(D為相鄰較大罐的直徑，單罐容積大于1 000 m3的儲(chǔ)罐取直徑或高度的較大值)，1 000 m3儲(chǔ)罐內(nèi)徑：80 m，所以儲(chǔ)罐間距至少大于32 m.

從安全防護(hù)的角度考慮，增加碎片的飛行距離，即增加儲(chǔ)罐間距，碎片的撞擊速度就會(huì)減小，從圖3.1中我們得之，撞擊速度越大，對(duì)儲(chǔ)罐的作用效果越明顯，如速度從110 m/s，減低至100 m/s，X軸向位移將減少0.98 cm、X軸向加速度最大值將減少1.7 m/s2.所以增大儲(chǔ)罐間距，可盡可能的減少對(duì)儲(chǔ)罐的損害.

4.2 罐壁材料選擇

罐壁的材料不同，屈服強(qiáng)度也不同.本文將通過(guò)對(duì)比Q235、Q325、Q345三種不同鋼材，對(duì)不同材料的撞擊模擬.更改屈服強(qiáng)度可以在lsprepost中的繪圖控制區(qū)選中對(duì)儲(chǔ)罐的屈服強(qiáng)度進(jìn)行修改.得出不同材料的X軸位移圖如圖8.

圖8 三種不同鋼材材料的對(duì)比圖

從圖中可以看出，我們可以選擇屈服強(qiáng)度更大的材料作為罐壁，將有效的降低儲(chǔ)罐的影響.

4.3 壁厚分析

HyPerworks是一個(gè)對(duì)有限元結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化的軟件.它可以對(duì)象進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化以及目有尺寸和自由形狀優(yōu)化技術(shù).應(yīng)用拓?fù)?，可以?duì)尺寸和形狀優(yōu)化，因此可以計(jì)算出避免已知約束力作用下儲(chǔ)罐失效，儲(chǔ)罐應(yīng)該達(dá)到最小的厚度.

在圖4中，我們可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)碎片速度達(dá)到120 m/s，儲(chǔ)罐被擊破，因此本文的優(yōu)化目標(biāo)為：依然是速度依然是120 m/s時(shí)，儲(chǔ)罐不被擊破，儲(chǔ)罐壁應(yīng)達(dá)到的厚度.

通過(guò)lsprepost讀取出碎片在120 m/s產(chǎn)生的最大撞擊力為5.53×109N，該力為約束條件.然后在OPtistruct中，載入在ANSYS中建立的模型.

在OPtistruct中，需重新定義儲(chǔ)罐的材料等參數(shù)，然后定義響應(yīng)區(qū)域，本文為儲(chǔ)罐壁.然后定義目標(biāo)函數(shù)，本文選取的目標(biāo)函數(shù)為響應(yīng)區(qū)域質(zhì)量最小，因?yàn)閮?chǔ)罐壁的厚度，決定著儲(chǔ)罐壁的整個(gè)體積，進(jìn)而決定著質(zhì)量.定義約束包括地面的約束以及撞擊力及以及各自的約束位置等.保存HyPerworks數(shù)據(jù)文件后，進(jìn)行運(yùn)行.在輸出文件中查看結(jié)構(gòu)分析結(jié)果.從圖9中，我們可以讀出，為了避免120 m/s的碎片撞擊儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐不被穿破的最小距離為158.6 mm.因此，在儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)上，可以通過(guò)增加儲(chǔ)罐壁厚度，減小碎片撞擊對(duì)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的影響.

圖9 輸出文件

5 結(jié)論

基于以上的分析與研究，得出以下主要：

(1)碎片質(zhì)量越大、碎片速度越大、碎片撞擊儲(chǔ)罐接觸面積越小、撞擊入射角度越大、儲(chǔ)罐變得越來(lái)越不穩(wěn)定，儲(chǔ)罐越容易失效，撞擊損害程度與碎片質(zhì)量、碎片速度、撞擊入射角度成近似正比的關(guān)系，與碎片撞擊儲(chǔ)罐接觸面積成近似正比的關(guān)系；

(2)碎片質(zhì)量大于650 kg、或碎片速度大于110 m/s，或碎片接觸面積小于0.015 m2、碎片入射角度大于65°時(shí)，儲(chǔ)罐會(huì)被擊穿，造成泄漏；

(3)通過(guò)模擬對(duì)比，驗(yàn)證了屈服強(qiáng)度越大的材料越能減小儲(chǔ)罐的動(dòng)力響應(yīng)；通過(guò)對(duì)儲(chǔ)罐壁厚的優(yōu)化，可以得到預(yù)防不同嚴(yán)重程度的撞擊，儲(chǔ)罐不被擊穿的最小厚度.

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Study of Dynamic Response of Large-Scale Tank under Blast Loads

ZHU Lifu1,YAN Shanyu2,PAN Ke2

(1.School of Environmental and Chemical Engineering,Dalian Jiaotong University，Dalian 116028,China； 2.School of Civil & Safety Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028,China)

Finite element method is performed to simulate explosion fragments hitting storage tank by ANSYS/LS-DYNA.The dynamic model is built,and the main factors of tank response are analyzed. In simulation,some factors are changed to analyzed the response to the tank,including the explosion fragments of the mass,velocity,contact area and angle in the impact.Except that the contact area is a negative correlation with the stability of the storage tank,other factors are positive correlation. It is firstly indicated that the fragments impact response of the storage tank is decreased by the change in material and/or thickness of the tank wall,suggesting that it is significant to prevent the failure of the oil storage tank under explosion.

explosive load;dynamic response;numerical simulation;failure prevention

1673- 9590(2016)02- 0082- 06

2015- 04- 07

朱立富(1988-),男，碩士研究生；閻善郁(1955-)，男，教授,碩士，主要從事環(huán)境安全控制與評(píng)價(jià)的研究E-mail:zhulifu2013@163.com.

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