鋼制儲罐安全防護(hù)研究

王倍嘉,蔣月新

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150000; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150000)

鋼制儲油罐是儲存石油的主要設(shè)施之一,在國家和社會企業(yè)油庫中有著廣泛的應(yīng)用。然而,由于其儲存的石油產(chǎn)品易揮發(fā)、易燃和易爆性質(zhì),鋼制儲油罐面臨著石油蒸氣云爆炸帶來的安全隱患。例如，2010年7月16日發(fā)生在我國大連新港國際儲運(yùn)公司原油罐區(qū)的輸油管道爆裂事故,原油泄漏引發(fā)了火災(zāi)和爆炸事故,管道泄漏導(dǎo)致的爆炸沖擊波將距爆炸源20 m之外的103號大型原油儲罐損毀,導(dǎo)致大量原油泄漏燃燒和二次爆炸,如圖1所示。從圖1可以看出,由于石油產(chǎn)品的易燃易爆性和罐體的集中存放形式,一旦發(fā)生爆炸事故,必然會導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,并產(chǎn)生較大的社會影響。

圖1 大連新港國際儲運(yùn)公司原油罐區(qū)爆炸事故現(xiàn)場

在結(jié)構(gòu)表面噴涂彈性體材料是一種較為有效的提高其抗爆能力的方法。文獻(xiàn)[1]提出在防護(hù)結(jié)構(gòu)表面噴涂彈性體材料以提高其抗爆、抗沖擊能力,并在綜合考慮了力學(xué)性能、施工方式適用性、凝固速度、毒性和黏接力等因素后發(fā)現(xiàn),在眾多彈性體材料中聚脲彈性體材料是最合適的抗爆、抗沖擊涂覆增強(qiáng)材料。眾多學(xué)者對聚脲彈性體噴涂結(jié)構(gòu)的抗爆抗沖擊能力進(jìn)行了深入的研究。

文獻(xiàn)[2]基于數(shù)值模擬結(jié)果指出,聚脲彈性層能提高鋼板在彈性體沖擊作用下的吸能能力;文獻(xiàn)[3]通過沖擊實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn),將聚脲彈性體涂覆在高強(qiáng)鋼板背面能有效降低彈性體的殘余速度,而將聚脲層設(shè)為芯層并不能明顯地降低彈性體殘余速度。在對聚脲與鋁合金組成的復(fù)合材料的沖擊實(shí)驗(yàn)中,文獻(xiàn)[4]發(fā)現(xiàn)聚脲涂覆層能有效提高材料的吸能能力并且降低子彈余速。

在抗爆性能方面,文獻(xiàn)[5]利用水下沖擊波加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備研究了聚脲彈性體涂覆對薄銅板性能的影響,結(jié)果顯示在銅板背面涂覆彈性體能有效提高其準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)下的能量吸收能力；文獻(xiàn)[6-8]利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了聚脲涂覆鋼板的抗爆炸能力,通過實(shí)驗(yàn)對比了純鋼板、正面(受到?jīng)_擊的面)涂覆聚脲的鋼板和背面涂覆聚脲的鋼板在爆炸作用下的破壞情況,發(fā)現(xiàn)在背面涂覆聚脲彈性體能有效提高鋼板破壞時(shí)單位厚度所吸收的能量,在正面涂覆聚脲彈性體材料反而會一定程度上降低鋼板的抗爆炸能力。在文獻(xiàn)[6-8]研究的基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[9]對較大尺寸的有聚脲噴涂的圓形鋼板的性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,結(jié)果顯示聚脲涂覆層能有效降低鋼板中心區(qū)域的塑性應(yīng)變。

國內(nèi)學(xué)者也在聚脲涂覆結(jié)構(gòu)的爆炸沖擊響應(yīng)方面進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[10]進(jìn)行了聚脲噴涂混凝土砌體墻爆炸響應(yīng)的數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)在爆炸荷載作用下,聚脲層破壞形式主要為拉伸破壞,研究結(jié)果還顯示聚脲層能有效降低混凝土砌體墻的應(yīng)變,并限制墻體中砌塊和砂漿的分離以及阻止裂縫的擴(kuò)展;文獻(xiàn)[11]進(jìn)行了數(shù)值模擬和小當(dāng)量爆炸物實(shí)驗(yàn),研究了聚脲噴涂鋼筋混凝土板的抗爆性能,發(fā)現(xiàn)對10 cm厚度的鋼筋混凝土來說,在背面噴涂6 mm厚的聚脲層能有效起到提高抗爆性能的作用;文獻(xiàn)[12]通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了聚脲噴涂鋼板的抗沖擊能力,研究結(jié)果表明,聚脲彈性體能有效降低鋼板的殘余位移,并且約束鋼板的破口擴(kuò)展;文獻(xiàn)[13]進(jìn)行了聚脲彈性體夾芯防爆罐抗爆性能研究,數(shù)值模擬結(jié)果表明聚脲彈性體夾層在抗爆罐受到爆炸荷載時(shí)能起到消減應(yīng)力波、提高罐體吸能能力的作用;文獻(xiàn)[14]通過彈性體沖擊研究發(fā)現(xiàn),聚脲彈性體作為背板時(shí)能有效提高鋁板結(jié)構(gòu)對彈性體的動能耗散能力。

本文主要在上述研究的基礎(chǔ)上,將聚脲彈性體抗爆涂覆增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用于鋼制儲罐上,借助有限元軟件ANSYS LS-DYNA進(jìn)行聚脲涂覆鋼制儲罐在爆炸荷載作用下的響應(yīng)的數(shù)值模擬研究。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,研究聚脲涂覆層對罐體最大位移、殘余位移和罐壁振動的影響,進(jìn)而分析聚脲彈性體涂覆層對鋼制儲罐抗爆安全性能的提升作用。

1 數(shù)值模擬

1.1 材料

1.1.1 聚脲

其中，C、P為應(yīng)變效應(yīng)。

相關(guān)參數(shù)見表1所列。

表1 *MAT-PLASTICITY-POLYMER的主要參數(shù)

表1中：ρ為密度；E為彈性模量；ν為泊松比。

1.1.2 鋼材

鋼材采用*MAT-JOHNSON-COOK進(jìn)行模擬,其本構(gòu)關(guān)系為：

表2 *MAT-JOHNSON-COOK的主要參數(shù)

1.2 有限元模型

以某1×104m3鋼制拱頂儲油罐為原型,建立簡化的幾何模型。罐體直徑為31 m,罐壁高度為14 m,在安裝過程中分為7層。拱頂為球缺形,半徑為30 m。從罐底到拱頂各層的高度和厚度見表3所列。

表3 鋼制儲罐各層層高和厚度

本文采用有限元軟件ANSYS-LS DYNA進(jìn)行有限元分析,該軟件適用于結(jié)構(gòu)大變形非線性動力分析,在結(jié)構(gòu)爆炸響應(yīng)模擬研究中有著廣泛的應(yīng)用[15]。網(wǎng)格劃分所用的單元為殼單元,單元尺寸約為0.1 m×0.1 m。劃分后的網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 鋼制儲罐有限元模型

罐底約束條件為固定約束。通過LS-DYNA內(nèi)置的*LOAD-BLAST-ENHANCED關(guān)鍵字對罐體表面施加爆炸荷載,該命令首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出相應(yīng)當(dāng)量炸藥爆炸產(chǎn)生的超壓,然后在結(jié)構(gòu)物表面施加符合超壓空間和時(shí)間分布的壓力荷載,以近似起到對結(jié)構(gòu)施加爆炸荷載的作用。數(shù)值模擬時(shí),炸藥質(zhì)量設(shè)為200 kg,炸藥中心距離罐壁3 m。

在模擬過程中,罐體內(nèi)部噴涂的聚脲層使用殼單元進(jìn)行模擬,并通過LS-DYNA軟件中*CONTACT-AUTOMATIC-SURFACE-TO-SURFACE-TIEBREAK關(guān)鍵字控制聚脲層與罐體的接觸。在該接觸算法中,當(dāng)接觸面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力滿足(1)式的條件時(shí),聚脲層和罐體發(fā)生剝離,即

(1)

其中:σn、σs分別為接觸面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力;NFLS、SFLS分別為接觸面所能承受的最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力。在數(shù)值計(jì)算過程中,NFLS和SFLS分別設(shè)為50、60 MPa。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

無聚脲涂覆的鋼制儲罐在爆炸沖擊作用下的最大位移時(shí)刻的位移云圖如圖3所示,從圖3可以看出,在爆炸沖擊作用位置罐體產(chǎn)生了內(nèi)凹塌陷和屈曲變形,罐體表面最大位移約為2 m。

內(nèi)部噴涂10 mm聚脲層的罐體最大位移時(shí)刻對應(yīng)的位移云圖如圖4所示。從圖4可以看出,罐體變形模式與無涂覆罐體相似,且最大位移為1.695 m,與無聚脲涂覆罐體相比有所降低。

為了進(jìn)一步研究聚脲涂層厚度與罐體變形的關(guān)系,分別進(jìn)行了涂層厚度為10、20、30 mm的罐體爆炸沖擊數(shù)值模擬。從數(shù)值模擬結(jié)果中提取了各罐體最大位移時(shí)程,如圖5所示。

圖3 無聚脲鋼罐最大位移時(shí)刻的罐體位移云圖

圖4 內(nèi)部噴涂10 mm聚脲鋼罐最大位移時(shí)刻的罐體位移云圖

圖5 罐體最大位移時(shí)程

對比圖5中曲線可知,在鋼制儲罐內(nèi)部噴涂聚脲涂層能有效降低罐體在爆炸荷載作用下的最大位移,且降低效果隨著涂層厚度增加而更加明顯。同時(shí),聚脲涂層也起到了明顯減少殘余位移的作用。

各罐體最大位移和殘余位移對比見表4所列。

表4中,最大位移降低百分比為聚脲涂覆罐體位移相對無涂覆罐體位移值的相對降低百分比。分析表4結(jié)果可知:聚脲涂層明顯起到了降低罐體位移的效果;涂層厚度的增加能有效地降低罐體最大位移和殘余位移,且在最大位移和殘余位移上的降低百分比基本一致;將涂層厚度從10 mm增加到20 mm時(shí),所增加的10 mm涂層使得罐體位移降低了8.6%,而將涂層厚度從20 mm增加到30 mm時(shí),罐體位移僅降低了5.1%。上述現(xiàn)象說明,隨著涂層厚度的提高,繼續(xù)增加聚脲涂層厚度所起到的降低位移的效果逐漸降低。

表4 罐體有無涂覆的位移對比

3 機(jī)理分析

鋼制儲罐的罐壁是典型的圓柱殼型結(jié)構(gòu),國內(nèi)外學(xué)者對圓柱殼型結(jié)構(gòu)在側(cè)向爆炸荷載作用下的變形情況進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究。根據(jù)文獻(xiàn)[16]的研究結(jié)果,圓柱殼型結(jié)構(gòu)在側(cè)向爆炸荷載作用下,最大位移與殼體的面密度近似成反比關(guān)系。在儲罐未涂覆聚脲時(shí),平均面密度為135.94 kg/m3,涂覆30 mm聚脲層后,罐體平均面密度增加至157.34 kg/m3,罐體面密度的倒數(shù)值降低了19.1%,而罐體最大位移降低了30%,可見聚脲涂層對罐體面密度的提高效果是罐體最大位移降低的主要因素之一。

聚脲涂層對罐體塑性鉸線彎矩的提升也是罐體最大位移降低的主要原因。在圓柱殼結(jié)構(gòu)發(fā)生凹陷變形的過程中,能量主要由塑性鉸線吸收。因此,圓柱殼結(jié)構(gòu)在側(cè)向爆炸荷載作用下的最大位移與塑性鉸線對應(yīng)的塑性彎矩緊密相關(guān)。將罐體的鋼材視為理想剛塑性材料,則塑性鉸彎矩為:

(2)

其中:σ0為鋼材屈服強(qiáng)度,等于235 MPa;H為罐體壁厚,等于20 mm。涂覆聚脲層后,罐體塑性鉸彎矩為:

(3)

其中:Ep為聚脲應(yīng)力值;H1為聚脲層厚度;R為變形后的塑性鉸線處的曲率半徑。當(dāng)罐體表面噴涂30 mm聚脲層時(shí),根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,罐體塑性鉸線處的曲率半徑約為90 cm。根據(jù)(2)式、(3)式求得M0和M0′的值分別為23.5 N·M和27.0 N·m。通過計(jì)算可得,聚脲涂層使得罐體塑性鉸線處的最大彎矩增加了14.4%?？梢娋垭逋繉釉诠摅w塑性鉸線處起到了一定的提升塑性彎矩的效果,進(jìn)而降低了罐體在側(cè)向爆炸荷載作用下的最大位移。

4 結(jié) 論

本文利用ANSYS LS-DYNA軟件進(jìn)行了聚脲涂覆鋼制儲罐在爆炸荷載作用下的變形研究。模擬結(jié)果顯示,聚脲涂層能有效降低罐體最大位移和殘余位移,聚脲層厚度與罐體厚度相近時(shí),能將罐體最大位移和殘余位移降低25%。同時(shí),對比涂覆不同厚度聚脲的罐體位移發(fā)現(xiàn),隨著涂層厚度的提高,繼續(xù)增加聚脲涂層厚度所起到的降低位移的效果逐漸下降。聚脲涂層對罐體面密度的提高和罐體塑性鉸線處彎矩的提升是影響聚脲涂層對罐體位移降低效果的主要因素。