立式鋼制儲液罐的震害分析*

黃群有 丁幼松 陳貴清

0 引言

立式鋼制儲液罐在油田和石油化工及其相關領域中得到廣泛應用,通常為圓柱形殼體結(jié)構(gòu),罐壁較薄,基礎有固定和浮放兩種。隨著社會的發(fā)展和經(jīng)濟投入效益的需求,儲液罐向大型化和浮放式發(fā)展。因其罐壁相對儲液來說很薄,故儲液罐抗震性能不好也由于抗震措施未能完善解決,所以在近年來國內(nèi)外地震中,儲罐的震害屢見不鮮,更為嚴重的是儲罐的損壞有時還伴隨著火災、爆炸和環(huán)境污染等次生災害。

1 儲油罐震害案例

1964年3月27日,美國阿拉斯加發(fā)生8.4級地震。一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[1]。

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 d,燒毀84座儲罐[2]。部分儲罐基礎發(fā)生沙化液化和地裂,造成基礎的不均勻沉降,引起各有關部位發(fā)生破壞,導致儲液漏出,甚至出現(xiàn)儲液罐倒塌現(xiàn)象;地震中有一座30000m3的油罐約160 t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,中國唐山地區(qū)發(fā)生 7.9級地震[3]。天津化工廠和唐山鋼廠各有兩個1000m3的燃料油罐最下圈壁板發(fā)生外屈曲,角焊縫開裂,罐內(nèi)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;唐山市烈度11度的地區(qū),兩座1000m3無力矩油罐罐壁下部有明顯外凸,其中一座罐壁與底板連接處開裂,形成長2250mm、高80mm的裂口,罐內(nèi)300多噸汽油全部漏出;在烈度8度的地區(qū),有一座正在建設的5000m3拱頂油罐由于罐基礎出現(xiàn)噴砂現(xiàn)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;另一座1000m3無力矩油罐,在東南一側(cè)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使得近百座油罐破壞[5]。

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,其中一座出現(xiàn)裂縫,迫使70000人臨時疏散。岸邊兩組大型球罐(每組3個)有緊固的對角管支撐,未受到損害。

1999年8月17日,土耳其伊茲米特地區(qū)發(fā)生7.4級地震,其附近的蒂普拉什煉油廠發(fā)生大火,該廠30個儲油罐中的7個大型油罐先后起火,起火原因是廠區(qū)內(nèi)的一個煉油塔在地震中倒塌,砸在旁邊的3個油罐上引發(fā)了大火,同時輸油管線斷裂,造成的石油泄漏也助長了火勢[6]。

2003年9月26日,日本北海道地區(qū)發(fā)生8.0級地震,一家煉油廠3萬t的儲油罐起火,大火和濃煙沖天。

2 儲液罐結(jié)構(gòu)破壞形式分析

2.1 儲液罐本身的震害

2.1.1 罐壁的損壞[7]

罐壁上部屈曲經(jīng)常是向內(nèi)凹,可能是由于儲罐下部破裂時,儲液迅速外泄出現(xiàn)局部真空,外壓失穩(wěn)造成的,僅發(fā)生于固定頂儲罐。

罐壁的下部屈曲包括兩種:一種是象足凸鼓,一種是菱形折皺。對“象足凸鼓”產(chǎn)生的原因,大多數(shù)研究者認為“象足”屈曲現(xiàn)象是由于失穩(wěn)機理造成的,并不是強度問題。當儲液罐在水平地震的作用下,罐內(nèi)液體晃動很大,使浮置在地面上的罐底部分翹離基礎面,罐傾向?qū)γ嬉粋?cè),該側(cè)罐壁受到過大的壓力而產(chǎn)生局部失穩(wěn);由于地震動方向是經(jīng)常變化不定的,所以罐的晃動方向也經(jīng)常改變,罐壁壓力集中點也經(jīng)常改變,從而容易使已出現(xiàn)的局部失穩(wěn)區(qū)沿圓周方向延伸而形成弧形或環(huán)形的象足凸鼓。從震害分析中可以得到對此解釋的支持:

1)象足現(xiàn)象大多數(shù)發(fā)生于液體滿載時,空罐時或半載時則不發(fā)生,這說明液體存在的重要作用;

2)象足現(xiàn)象多發(fā)生于浮置在地面上的罐,錨固于地基上而錨栓未破壞的則很少發(fā)生,這說明儲液罐底部翹離基礎面可能是一重要因素;

3)有些實例證明,發(fā)生過象足凸鼓的罐在地震動過程中曾經(jīng)在周邊都翹離過。“菱形失穩(wěn)”現(xiàn)象,被認為是由較高的軸向壓應力造成的一種彈性屈曲。“菱形失穩(wěn)”也是由于罐壁局部受壓過大而失穩(wěn),當作用力繼續(xù)保持或重復作用時,失穩(wěn)部分以前所承受的內(nèi)力將向兩邊轉(zhuǎn)讓,這種內(nèi)力重分布將使局部失穩(wěn)區(qū)沿兩斜線向上發(fā)展,而形成菱形失穩(wěn)塊,當罐底局部翹離基礎面而支承于罐壁的同一側(cè)時間過長或次數(shù)過多時,容易產(chǎn)生菱形失穩(wěn)塊的分支發(fā)展。

2.1.2 罐頂?shù)膿p壞

罐頂可分為浮頂和固定頂兩類。固定罐頂?shù)钠茐闹饕泄揄斉c罐壁連接處開裂和固定頂屈曲(如拱頂儲罐的罐頂全面下凹成碗狀)等。造成罐頂損壞的主要原因是儲液晃動引起的對流壓力的沖擊及儲液晃動形成負壓的結(jié)果。有時,當罐底提離地面使整個罐體變形,也對頂部產(chǎn)生影響,造成罐頂?shù)膿p壞。

2.1.3 罐底的損壞

主要是罐底與罐壁聯(lián)接處焊縫的破裂和罐底的破裂,原因是由于儲液罐的提離和儲液罐基礎的不均勻沉降,還有浮頂罐內(nèi)液體的晃動,引起浮頂下沉,罐底有可能被浮頂立柱撞裂。

2.2 儲罐附屬設備發(fā)生的震害[1]

1)浮頂儲罐的轉(zhuǎn)動扶梯發(fā)生彎曲塌落,兩根扶手的中部均向外彎成葫蘆狀,可能是由于扶梯扶手的剛度不夠而造成的。

2)管線和接地裝置等被拉破和拉斷。可能是由于儲罐與基礎之間發(fā)生過大的相對位移(提離、移位和沉陷)而引起的,一般可用構(gòu)造措施加以防止,如管線接頭采用柔性連接。

3)浮頂導向桿失效,浮頂可能發(fā)生轉(zhuǎn)動,罐壁碰撞,引起浮頂下沉,并撞破罐底。

2.3 基礎和防火堤發(fā)生破壞

1)靠近罐壁下面的基礎發(fā)生均勻或不均勻沉降,一般發(fā)生在場地上較差的場合,如地基的液化。

2)基礎及圈梁被沖豁,這是油罐破壞時油品外流而造成的結(jié)果。

3)防火堤或擋液堤被沖豁。為便于理解,把以上所有圓筒形儲罐的震害形象化地用示意圖表示出來,如圖1所示。

3 次生災害

儲罐的次生災害是指直接災害發(fā)生后,破壞了自然或社會原有的平衡、穩(wěn)定狀態(tài),從而引發(fā)出的災害。有時,次生災害所造成的傷亡和損失比直接災害還大。儲罐主要的次生災害有火災、環(huán)境污染等。

另外,由于儲罐群密集分布,一旦有一個罐起火爆炸,很容易引起連鎖反應。例如,1998年3月5日,西安煤氣公司液化石油氣管理所一個煤氣儲罐發(fā)生泄漏爆炸,烈焰騰空而起,隨后又陸續(xù)引起了3個儲罐起火爆炸,大火共持續(xù)了近50個小時。這次事故經(jīng)濟損失巨大。

4 結(jié)語

地震作用下儲液罐的破壞形式多種多樣,其危害性越來越被人們重視。通過分析國內(nèi)外地震作用下儲液罐的破壞形式,對其進行了分類,主要有儲液罐本身、儲罐附屬設備、基礎和防火堤的震害,并用示意圖直觀地表示了各種震害的形式,使人們對震害類型有了更加清晰的認識;此外,儲罐破壞還經(jīng)常伴有次生災害發(fā)生,危害更大。所以震害一旦發(fā)生,對人民的生命財產(chǎn)會造成巨大的損失,因此值得學者們對此做更加深入的研究。

[1]徐 英,楊一凡,朱 萍,等.球罐和大型儲罐[M].北京:化學工業(yè)出版社,2005:176-178.

[2]土木學會新瀉震害調(diào)查委員會.新瀉地震震害調(diào)查報告[R].1996:1-20.

[3]王 振,唐立強.立式浮放儲罐三維地震反應分析及試驗研究[Z].2006.

[4]郭增建.城市地震政策[M].北京:地震出版社,1991:1-5.

[5]初大勇,孫建剛.立式浮放儲罐地震反應試驗研究[D].大慶:大慶石油學院碩士學位論文,2005.

[6]中國科學院高科技研究與發(fā)展局.科學研究動態(tài)監(jiān)測快報[J].先進能源科技專輯,2008(8):10-12.

[7]孫建剛.大型立式儲罐隔震——理論、方法及實驗[M].北京:科學出版社,2009:33-38.