LNG儲罐外罐壁在沖擊荷載作用下的受力分析

張云峰， 張 釗， 薛景宏， 計 靜

( 1. 東北石油大學 土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318; 2. 東北石油大學 黑龍江省防災減災及防護工程重點實驗室,黑龍江 大慶 163318 )

液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)儲罐對增強供氣穩定性，提高供氣靈活性，特別是對燃氣電廠等重要用氣部門及設施安全運行提供有力的保障具有不可替代的重要作用[1-3].目前世界各地LNG儲罐日趨增多.它的安全性也是人們關注的問題，現在我國還沒有設計規范[4-5]，筆者主要研究全容式預應力混凝土儲罐在沖擊荷載作用下的受力特性，為我國的預應力LNG儲罐的設計和施工提供依據.

1 基本參數

以上海某LNG事故備用站的一座LNG儲罐為研究對象.該儲罐屬于地上式全容罐，要求在-160 ℃的低溫儲存LNG，可承受230 MPa氣壓.外罐混凝土強度采用C45.儲罐尺寸參數、結構見文獻[6].

2 有限元模型建立

由于沖擊與爆炸屬于高度非線性動力學問題，沖擊過程中荷載與結構受力瞬息萬變，建立準確的有限元模型困難，因此作基本假設[7]：(1)沖擊物為剛體；(2)沖擊時只有動能和內能的變化，無熱能的損失；(3)沖擊時不考慮重力的影響；(4)忽略沖擊物與被沖擊物之間的摩擦；(5)忽略沖擊物與被沖擊物之間的阻尼.

儲罐的基礎與罐壁、穹頂與罐壁采用固定連接，在罐壁計算模型的交接處加固定約束.混凝土本構關系模型選用Johnson-Halmquist-Concrete混凝土模型.該混凝土模型是一種專門針對混凝土受沖擊載荷作用而開發的動態材料模型，考慮其應變、高應變率和高壓情況，同時結合損傷理論考慮材料的拉伸脆斷行為[8-10].利用ANSYS/LS-DYNA建立有限元模型，混凝土和撞擊質量塊采用實體建模，選取SOLID164[11]單元，預應力鋼筋采用LINK167[12]單元，普通鋼筋采用整體模型，即將其和混凝土看成均勻連續的整體.建立儲罐和質量塊有限元模型(見圖1和圖2).

3 模型驗證

根據文獻[7]折線梁的尺寸，利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立有限元模型，并計算在沖擊荷載作用下的速度，同時采用解析法求解折線梁在沖擊點的速度，將兩者進行比較，驗證文中有限元模型的準確性.

圖1 LNG儲罐預應力外罐有限元模型

圖2 質量塊的有限元模型

理論計算沖擊達到共同速度時v1=1.55 m/s，ANSYS/LS-DYNA軟件所求得的共同速度為1.53 m/s，與解析解的誤差為1.3%，證明文中有限元模型的準確性.

4 有限元分析

表1 LNG預應力混凝土外罐罐壁碰撞工況

根據破壞的可能性，選取9種工況對儲罐進行分析，見表1.利用LS-DYNA軟件的顯式求解功能求解外罐受撞擊情況下的應力變化，檢驗外罐的安全性，分析最不利的碰撞情況，為進一步研究和設計提供依據.

單位體積質量塊以3種速度撞擊儲罐中、下部產生的應力分布趨勢相同，大小有差異，因此以50 m/s時的應力表示(見圖3-5)，而單位體積質量塊以70 m/s撞擊儲罐上部時與其他2種速度下應力分布趨勢略有不同，見圖6.

由圖3可以看出，單位體積質量塊以速度50 m/s撞擊儲罐上部時，應力從0 ms處迅速增加，在0.2 ms左右達到峰值；隨后下降，在0.5 ms左右有所反彈；然后逐漸下降，在2.0 ms時趨于平穩.

圖3 單位體積質量塊以50 m/s速度撞擊儲罐上部應力變化曲線

圖4 單位體積質量塊以50 m/s速度撞擊儲罐中部應力變化曲線

圖5 單位體積質量塊以50 m/s速度撞擊儲罐下部應力變化曲線

圖6 單位體積質量塊以70 m/s速度撞擊儲罐上部應力變化曲線

由圖4可以看出，單位體積質量塊以50 m/s速度撞擊儲罐中部時，應力從0 ms處迅速增加，在0.2 ms左右達到峰值；隨后下降，在0.3 ms左右出現波動，然后逐漸下降，在2.0 ms時平穩下降.

由圖5可以看出，單位體積質量塊以50 m/s 速度撞擊儲罐下部時，從0 ms處迅速增加，在0.2 ms左右達到峰值；隨后快速下降到0.3 ms左右，然后逐漸平穩下降，可見從達到最大應力到趨于平穩的時間很短.

由圖6可以看出，單位體積質量塊以70 m/s撞擊儲罐上部時，除了在6.4 ms左右出現1個峰值外，與以速度50 m/s撞擊儲罐上部時應力變化趨勢基本相同.

根據9種工況所產生的最大應力，得出9種工況條件下LNG儲罐最大應力(見圖7).由圖7可以看出，儲罐罐壁的應力隨著撞擊高度的降低而降低，質量塊的速度越大，撞擊時的應力越大，但在儲罐中部60 m/s和50 m/s的應力基本相同.因此當質量塊質量一定，速度大的質量塊對LNG儲罐的影響較大，在儲罐上部應力較大，因此可以在儲罐上部增加壁厚、混凝土強度、鋼筋的等級和數量等，以避免發生大的破壞[13-14].

選一最不利的位置沿厚度分析破壞程度.質量塊以70 m/s的速度撞擊LNG儲罐罐壁上部時，產生的應力最大，沿厚度方向剖面的應力分布見圖8(時間為0.2 ms，在單元1 204處，最小應力為22.111 4 Pa；在單元308處，最大應力為0.122 416 GPa).

圖7 9種工況下LNG儲罐最大應力

圖8 工況7儲罐罐壁應力最大時沿厚度方向的應力分布

文中建立的模型是沿壁厚方向劃分2個單元，罐壁上部撞擊點沿厚度方向的單元外側為285，內側為281.在工況8條件下，其應力隨時間的變化曲線見圖9和圖10.

由圖9和圖10可以看出，質量塊撞擊罐口的應力波快速向內部擴散，在撞擊后0.2 ms時外側285單元應力達到最大，為122.0 MPa；在撞擊后0.45 ms時，內側281單元應力達到最大，為19 MPa.最大應力主要集中在外壁尖角處和內壁與穹頂轉折處.因此，建議在設計建造中，應加強這部分混凝土強度，增加厚度，避免嚴重破壞.

圖9 285號單元應力隨時間變化曲線

圖10 281號單元應力隨時間變化曲線

撞擊點外壁外側285單元最大應力大于動態抗壓強度，內側的281單元未達到動態抗壓強度，因此，在質量塊撞擊LNG儲罐罐壁上部時，外側混凝土失效，而內側混凝土安全.LNG儲罐在此種工況下罐體能夠基本保持完整[16].

5 結論

(1) 在質量塊的質量和速度一定的情況下，質量塊撞擊儲罐罐壁不同位置時，其應力在上部最大；在質量一定，速度不同的情況下，質量塊以速度為70 m/s撞擊儲罐時，對LNG儲罐罐壁的影響最大，隨著時間的增加應力擴散的范圍逐漸增加.

(2)撞擊點在罐壁上部的工況中，工況7條件下儲罐應力最大，罐體表面混凝土失效，但內部混凝土并未發生破壞.

(3) 沖擊荷載只會影響到儲罐撞擊點局部應力的變化，產生高應力、大應變，對其他部分基本不會產生影響.