大型LNG儲罐爆炸載荷效應(yīng)數(shù)值分析

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300450）

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）主要成分為甲烷，是一種優(yōu)質(zhì)清潔能源。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源消耗量激增，LNG儲罐數(shù)量和規(guī)模越來越大，對地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的作用也愈發(fā)重要。由于LNG具有易燃易爆的特性，儲罐一旦發(fā)生泄漏故障易引發(fā)火災(zāi)、爆炸等惡性事故，不但人員和財產(chǎn)將造成嚴(yán)重損失，還會對儲罐系統(tǒng)本質(zhì)安全和使用壽命產(chǎn)生重要影響。因此，合理考慮爆炸載荷作用的效果影響，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，對儲罐安全性和經(jīng)濟性具有重要意義[1-3]。

1 爆炸載荷計算方法

依照規(guī)范BS EN 14620，全容式大型LNG儲罐工程設(shè)計時，必須考慮爆炸荷載對儲罐的沖擊影響。分析爆炸原理以及儲罐結(jié)構(gòu)特點，爆炸所引發(fā)的沖擊波將在短時間內(nèi)以正壓力的形式主要對儲罐的穹頂和墻體產(chǎn)生沖擊作用。由于目前尚未發(fā)生過LNG儲罐爆炸破壞的事故實例，因此目前主要進行理論方面的分析和研究[4]。

根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論，得到爆炸沖擊荷載作用下LNG儲罐體系動力反應(yīng)的控制方程為：

在實際工程應(yīng)用中，可根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗，采用等效靜力爆炸荷載分析儲罐各結(jié)構(gòu)部位的響應(yīng)規(guī)律，以滿足實際設(shè)計工況要求，等效爆炸荷載如表達式(2)所示：

等效爆炸載荷隨時間變化的時程曲線如圖1所示：

圖1 等效爆炸載荷隨時間變化曲線

作用于儲罐墻體和穹頂結(jié)構(gòu)不同位置的等效載荷同角度α呈函數(shù)關(guān)系。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，儲罐墻體的等效載荷分布沿著周向角度α由最大2 Preflected逐漸減弱至0，在儲罐墻體α=0°處最大，在α=180°最小，如圖2所示。穹頂?shù)牡刃лd荷分布沿著角度α由最大1.5 Pre fl ected逐漸減弱至0，如圖3所示。儲罐各結(jié)構(gòu)部位等效爆炸荷載如表達式(3)所示：

圖2 墻體等效爆炸載荷變化圖

圖3 穹頂?shù)刃Пㄝd荷變化圖

2 ANSYS有限元模型

本文以某項目一座160000m3LNG儲罐為研究對象，搭建有限元模型。其中承臺外徑89m，厚度1～1.2m；墻體內(nèi)徑84m，厚度0.7～0.8m；穹頂內(nèi)徑84m，矢高10.154m，厚度0.4-2m。樁基采用灌注形式建造，直徑1.2～1.5m。有研究表明，內(nèi)罐對外罐的爆炸沖擊響應(yīng)影響相對較小，同時考慮到有限元計算規(guī)模，本文暫不考慮內(nèi)罐的影響[6]。儲罐地上結(jié)構(gòu)選用高強度C50混凝土澆筑，樁基采用C40混凝土灌注，材料屬性參數(shù)如表1所示[7]：

表1 C40和C50等級混凝土主要材料屬性表

混凝土外罐屬于特種結(jié)構(gòu)。為能夠準(zhǔn)確模擬爆炸載荷的影響效應(yīng)，提高有限元仿真精度，選用三維高階SOLID186單元建模。SOLID186單元基于20節(jié)點進行仿真運算，各節(jié)點具備三個方向自由度，對于模型的不規(guī)則網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，能夠更加精確進行模擬結(jié)構(gòu)受力狀況。對于儲罐穹頂、墻體、承臺、樁帽、樁均采用MPC多點約束算法進行處理，自動創(chuàng)建剛性區(qū)域[8-9]。有限元模型如圖4所示。

圖4 160000m3LNG儲罐有限元模型圖

3 有限元結(jié)果分析

借助APDL工具編寫爆炸等效載荷函數(shù)加載公式，對穹頂和墻體施加載荷，獲取主要時刻儲罐整體變形和應(yīng)力如圖5至圖10所示：

圖5 t=0.25s儲罐整體位移云圖

圖6 t=0.25s儲罐整體應(yīng)力分布圖

圖7 t=0.5s儲罐整體位移云圖

圖8 t=0.5s儲罐整體應(yīng)力分布圖

圖9 t=0.75s儲罐整體位移云圖

圖10 t=0.75s儲罐整體應(yīng)力分布

經(jīng)對以上圖形對比顯示，儲罐整體位移和應(yīng)力隨著爆炸載荷先變大后減小。其中，在穹頂0～90°和墻體-90～90°區(qū)域產(chǎn)生較大收縮位移，其他區(qū)則域產(chǎn)生較大膨脹位移，在t=0.05s等效載荷達到最大值，儲罐墻體和穹頂交匯位置α=180°處發(fā)生最大膨脹位移0.814mm，在樁帽位置發(fā)生最大的應(yīng)力1.07MPa，低于C40混凝土強度設(shè)計值。

在有限元模型墻體和穹頂結(jié)構(gòu)上，每隔45°分別拾取結(jié)構(gòu)的豎向切面上若干目標(biāo)點，提取其位移和應(yīng)力計算結(jié)果，如圖11所示。

圖11 墻體和穹頂上的目標(biāo)點分布圖

在仿真分析過程中，設(shè)置載荷加載步長?t=0.05s，提取每個時刻儲罐墻體和穹頂部位的最大應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)，繪制時程曲線圖表如圖12、圖13所示：

圖12 墻體和穹頂部位最大移位曲線圖

圖13 墻體和穹頂部位最大應(yīng)力曲線圖

通過上圖可看出，在爆炸時間t=0.08s時，最大位移變形發(fā)生在墻體位置，約1.53mm；在t=0.075s時，最大應(yīng)力發(fā)生在穹頂位置，約0.76MPa，遠低于C50混凝土強度設(shè)計值。因此可以看出，等效爆炸載荷對儲罐結(jié)構(gòu)安全性影響較小，并非控制工況。

4 結(jié)論

（1）研究了儲罐在爆炸載荷作用下的動力反應(yīng)控制方程，確定了等效爆炸荷載的合理表達式。

（2）建立了160000m3儲罐精細化有限元模型，確定了合理的單元類型、邊界條件以及材料參數(shù)，能夠精確反映儲罐在等效爆炸載荷作用下的響應(yīng)特性。

（3）確定了穹頂和墻體結(jié)構(gòu)上分布式目標(biāo)點，分別提取位移和應(yīng)力結(jié)果，分析爆炸不同時刻的位移和應(yīng)變規(guī)律。結(jié)果表明：等效爆炸載荷對儲罐結(jié)構(gòu)安全性影響較小，并非控制工況。