全容式LNG儲罐在飛行物沖擊作用下的局部效應驗算

李金光，鄭建華，李 航，宋延杰

（中國寰球工程公司，北京 100012）

0 引言

LNG接收站項目在國內的建設已進入高峰時期，已建成投產的項目有5個，在建和擬建的項目也有5個左右，這些項目的儲罐型式幾乎全部為全容式LNG儲罐[1]。由于LNG是易燃易爆的危險物質，且全容式LNG儲罐的體積龐大，一旦發生破壞，引起的災害將是巨大的，因此，混凝土外罐的一個主要功能是保護儲罐內部免遭外部災難事件的破壞。參考文獻[2-4]規定儲罐設計時應考慮飛行物對儲罐的撞擊作用，混凝土外罐應能承受外部爆炸引起的飛行物對儲罐的撞擊。顯然，飛行物對外罐的沖擊作用計算已是外罐設計工作中的一項重要內容，但是除了參考文獻[2]提出的 “用質量為50 kg、飛行速度為 45 m/s的閥門進行沖擊計算”這一建議性的條款外，各國LNG設計規范對如何計算這個沖擊作用還缺乏明確的可操作的指導條款。

本文在現有的混凝土構件抗沖擊作用研究成果的基礎上，對LNG儲罐混凝土外罐在飛行物沖擊作用下的局部效應驗算方法進行了歸納總結，并以16萬m3儲罐為例，進行了詳細計算。

1 飛行物沖擊作用的局部效應分析

剛性飛行物對混凝土構件的沖擊作用可能引起下列五種局部效應，如圖1所示[5]。

圖1 飛行物沖擊作用下的局部效應示意

（1）侵徹破壞：飛行物鉆入混凝土構件的內部，但沒有刺穿混凝土構件，通常以貫入構件的深度x來表示。

（2）穿透破壞：飛行物完全刺穿混凝土構件，刺穿時，速度可為零，也可不為零。

（3）痂斑破壞：飛行物撞擊混凝土構件時，撞擊面背面的混凝土被彈射出來，但構件沒被刺穿。

（4）爆裂破壞：飛行物撞擊混凝土構件時，撞擊面的混凝土被彈射出來，但構件沒被刺穿。

（5）沖切破壞：飛行物撞擊混凝土構件時，沖擊區域附近發生剪切破壞，屬于穿透的一種類型。

對于混凝土外罐的設計來講，侵徹破壞和爆裂破壞不會破壞儲罐內部的設備和環境，是可接受的破壞形式。穿透破壞和沖切破壞會刺穿外罐混凝土層，破壞儲罐內部設備和環境，是不可接受的破壞形式，這就要求混凝土外罐有足夠的壁厚。痂斑破壞時，盡管彈射出的混凝土碎塊速度要遠小于飛行物沖擊速度 （當壁厚大于穿透厚度時），但它們仍會對內罐產生破壞，故屬于不可接受的破壞形式，這也要求混凝土外罐有足夠的壁厚。

2 飛行物沖擊作用的局部效應計算

2.1 穿透破壞厚度臨界值計算

當飛行物剛好刺穿某厚度的混凝土構件時，速度由初始速度減小到零，該厚度稱為穿透破壞厚度臨界值，計算該臨界值的經驗公式可采用CEAEDF 公式[6]：

式中tp——穿透破壞厚度臨界值/m；

f′c——混凝土圓柱體抗壓強度/Pa；

ρc——混凝土密度/（kg/m3）；

M——飛行物的質量/kg；

d——飛行物的直徑/m；

V0——飛行物的初始沖擊速度/（m/s），適用于20～200 m/s的范圍。

2.2 痂斑破壞厚度臨界值計算

當混凝土構件厚度達到某一值時，在特定質量、特定半徑和特定初始速度飛行物的沖擊下，混凝土構件剛好不發生痂斑破壞，該厚度稱為痂斑破壞厚度臨界值，計算該臨界值的經驗公式可用Bechtel公式[7]：

式中ts——痂斑破壞厚度臨界值/m。

2.3 侵徹深度計算

侵徹深度的計算一方面是為了驗證混凝土構件不被刺穿，另一方面是計算沖擊作用的等效靜力荷載，為沖擊作用的整體分析提供荷載條件。當飛行物的初始沖擊速度小于152 m/s時，計算侵徹深度的經驗公式可用NDRC公式[7]：

式中x——侵徹深度/m；

N——飛行物形狀系數，取值0.72、0.84、1.0和1.14，分別對應于平板形狀、半球狀、鈍狀和尖端狀；當沖擊物為閥門時，取值為1.0。

2.4 等效沖擊荷載計算

假定在整個飛行物的沖擊作用階段作用于混凝土構件的沖擊力為常數，根據NDRC公式計算出的侵徹深度x，可以求得等效沖擊荷載。根據能量守恒原理，可得平衡方程為：

式中E0——飛行物沖擊前的動能/J；

Em——飛行物沖擊變形能/J；

Ec——混凝土彈性變形能/J；

Ep——飛行物侵徹作用損失的能量/J；

δm——飛行物的彈性變形/m；

δc——沖擊位置混凝土的彈性變形/m；

F——作用于混凝土構件的等效沖擊力/N。

一般假定飛行物為剛體，故Em為零；又由于混凝土的彈性變形能與飛行物沖擊作用前的動能相比是非常小的部分，可忽略不計 （相對于設計來講偏安全），這樣式 （5）可簡化為：

2.5 沖切承載力計算

對于混凝土構件還應當驗算其沖切承載力能否滿足飛行物的沖擊作用，確保不發生沖切破壞。若不能滿足沖擊力作用時，應配置抗沖切鋼筋。具體的計算公式可見參考文獻[8]的6.5.1-1、6.5.3-1和6.5.3-2，分列如下：

當不配置抗沖切箍筋時，沖切承載力應滿足：

當沖切承載力不滿足式 （11）時，配置箍筋的沖切承載力應滿足：

式中 βh——截面高度影響系數；

ft——軸心抗拉強度設計值/MPa；

η——取局部荷載作用面積形狀的影響系數和計算截面周長與板截面有效高度之比的影響系數二者的較小值；

um——計算截面的周長/m；

h0——計算截面的有效高度/m；

fyv——箍筋的抗拉強度設計值/MPa；

Asv——箍筋的截面面積/mm2。

由于飛行物沖擊屬于動力作用，而式 （11）～（13）是靜力計算公式，所以上述公式中的材料強度應乘以動力提高系數，參考文獻[9]對動力提高系數的值進行了規定：HRB335級鋼筋的fyv動力提高系數為 1.15，HRB400級鋼筋的 fyv動力提高系數為1.10，混凝土的ft動力提高系數為1.10。

3 設計要求

為了使混凝土構件滿足在飛行物沖擊作用不發生災難性破壞的使用要求，參考文獻[9]對構件厚度提出了具體要求：

為了防止穿透破壞，混凝土壁厚應大于穿透破壞厚度臨界值的20%。為了防止痂斑破壞，可在沖擊作用背面設置防護罩；當缺乏防護罩時，混凝土壁厚應至少大于痂斑破壞厚度臨界值的20%。

4 計算實例

以某16萬m3LNG儲罐為例，混凝土外罐的罐頂厚度troof為0.4 m，罐壁厚度twall為0.8 m；C50混凝土，圓柱體抗壓強度f′c為40MPa，軸心抗拉強度設計值 ft為 1.89 MPa，密度 ρc為 2 500 kg/m3；罐頂內襯鋼板厚度tliner為6 mm，抗剪承載力fv_liner為 180 MPa； 飛行物為 φ101.6 mm （4 in）NPS法蘭，其質量M為110 kg，等效直徑d為0.3 m，沖擊初始速度V0為45 m/s。

把上述參數代入式 （1），得tp=0.145 m；代入式 （2），得 ts=0.345 m； 代入式 （3）， 得 x=0.081 m； 代入式 （10）， 得F=1.375 MN。

1.2tp=0.174 m＜troof=0.4 m，滿足穿透破壞的設計要求。

ts=0.345 m ＜troof=0.4 m，1.2 ts=0.414 m＞troof=0.4 m，但因罐頂有內襯鋼板，鋼板起到防護罩的作用，故滿足痂斑破壞的設計要求。

由于罐頂有內襯鋼板附著在底面，故沖切計算時應考慮鋼板的沖切承載力。將已知參數代入公式（11）， 得 Fc_roof=4.77 MN， Fc_wall=3.94 MN。

F=1.375 ＜ Fc_wall， F=1.375 ＜ Fc_roof， 滿足沖切承載力要求。

綜合以上計算結果，可知該儲罐的混凝土外罐能夠承受飛行物的局部沖擊作用。

5 結束語

通過對現有混凝土構件受沖擊作用計算研究成果的分析研究，總結了適用于全容式LNG儲罐混凝土外罐在飛行物沖擊作用下的局部效應驗算方法與計算要點。

算例的計算結果表明，對于該LNG儲罐混凝土外罐，由于在罐頂底面鋪設了鋼內襯板，罐頂抵抗飛行物沖擊的能力大大提高，該罐頂截面厚度取值能夠滿足飛行物的沖擊作用要求；罐壁厚度較罐頂厚度大，有足夠的能力來抵抗飛行物的沖擊作用。

對于大容量 （≥16萬m3）的全容式LNG儲罐，由于最小罐頂壁厚一般不會小于0.4 m，故罐頂截面厚度取值能夠滿足飛行物的沖擊作用；罐壁厚度較厚，也能承受飛行物的沖擊作用。

對于容量較小的全容式LNG儲罐，其罐壁和罐頂厚度取值可能會較上述算例的取值小，此時截面厚度取值可能不能滿足飛行物的沖擊作用要求，可按本文推薦的公式進行具體計算。

[1]黃淑女，王作乾.我國第一座16萬m3全容LNG儲罐[J].石油工程建設，2009，35（4）：15-17.

[2]BS 7777-1:1993， Flat-bottomed， vertical， cylindrical storage tanks for low temperature service，Part 1:Guide to the general provision applying for design，construction，installaton and operation[S].

[3]BS 7777-3:1993， Flat-bottomed， vertical， cylindrical storage tanks for low temperature service，Part 3:Recommendations for the design and construction of prestressed and reinforced concrete tanks and tank foundations，and for the design and installation of tank insulation，tank liners and tank coatings[S].

[4]EN 14620-1:2006， Design and manufacture of site built， vertical，cylindrical， flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated，liquefied gases with operating temperatures between 0℃and-165℃，Part 1:General[S].

[5]Josef Roetzer，Hamish Douglas.Hazard and safety probes for LNG tanks[J].LNG Journal， 2006，（11）:27-28.

[6]Berriaud C，Sokolovsky A，Gueraud R，et al.Local behaviour of reinforced concrete walls under missile impact[J].Nucl.Eng.Design，1978，45（2）：457-469.

[7]George E Sliter.Assessment of Empirical Concrete Impact Formulas[J].Journal of the Structural Division，1980，106（5）:1 023-1 045.

[8]GB 50010-2010，混凝土結構設計規范[S].

[9]ACI 349-01，Code Requirements for Nuclear Safety Related Concrete Structures[S].