大型LNG全容罐抗飛行物沖擊分析驗(yàn)算

中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

液化天然氣(LNG)全容罐儲存的是易燃、易爆介質(zhì),一旦遭受外來飛行物的撞擊將可能導(dǎo)致全容罐破壞、LNG液體外泄和燃燒,從而導(dǎo)致災(zāi)難性事故的發(fā)生。因此,分析研究LNG預(yù)應(yīng)力混凝土全容罐抗飛行物沖擊的能力是全容罐設(shè)計(jì)計(jì)算的重要內(nèi)容,也是提高全容罐系統(tǒng)安全性和可靠性的關(guān)鍵。

沖擊過程是一個(gè)較為復(fù)雜的非線性動態(tài)響應(yīng)過程,根據(jù)受外來物沖擊載荷的大小,結(jié)構(gòu)可能處于彈性階段、超越彈性階段進(jìn)入塑性流動狀態(tài)、甚至出現(xiàn)撕裂或屈曲等各類形式的破壞或失效。歐洲規(guī)范[1-3]也明確要求在LNG預(yù)應(yīng)力混凝土全容罐設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮飛行物對全容罐穹頂?shù)臎_擊作用,要求混凝土外罐能夠承受由于外部爆炸引起的飛行物對全容罐的撞擊。

結(jié)構(gòu)抗外來物沖擊作用的動態(tài)響應(yīng)難以用傳統(tǒng)理論進(jìn)行分析計(jì)算,只能采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的有限元分析方法開展沖擊動力學(xué)響應(yīng)分析計(jì)算,如MSC.DYTRAN、LS-DYNA等有限元分析軟件,以動態(tài)非線性有限元基本理論和接觸算法為基礎(chǔ),分析結(jié)果能夠滿足工程要求[4-9]。

通過對20×104m3LNG大型預(yù)應(yīng)力混凝土全容罐穹頂在閥門沖擊作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析計(jì)算,定性、定量分析沖擊作用可能產(chǎn)生的破壞能力,據(jù)此驗(yàn)證全容罐穹頂抗沖擊的能力和所采取的防沖擊措施,為大型LNG預(yù)應(yīng)力混凝土全容罐安全性及可靠性的分析計(jì)算提供依據(jù)。

1 抗飛行物沖擊分析

1.1 沖擊的破壞形式

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)的研究成果[10-14],剛性飛行物沖擊混凝土構(gòu)件可能引起侵徹破壞或爆裂破壞、痂斑破壞、穿透破壞、沖切破壞這四種形式的破壞,見圖1。

圖1 飛行物沖擊破壞形式局部示意圖

在大型LNG預(yù)應(yīng)力混凝土全容罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),侵徹破壞或爆裂破壞屬于可接受的破壞形式,痂斑破壞、穿透破壞和沖切破壞均屬于不可接受的破壞形式,需要外罐罐壁具備足夠的防沖擊破壞的強(qiáng)度和剛度。

1.2 防沖擊驗(yàn)算方法

由于沖擊作用是一個(gè)非線性問題,計(jì)算分析非常復(fù)雜,單靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式難以準(zhǔn)確計(jì)算沖擊作用過程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料和研究成果[15],罐壁穹頂?shù)姆罌_擊驗(yàn)算可按照以下方法進(jìn)行:

1)侵徹破壞或爆裂破壞的深度可采用侵徹深度的經(jīng)驗(yàn)公式[15]進(jìn)行計(jì)算,要求侵徹深度不低于外罐壁混凝土層的厚度。

2)痂斑破壞的臨界厚度可采用Bechtel公式[15]計(jì)算,要求外罐壁混凝土層的壁厚不低于計(jì)算破壞臨界厚度的1.2倍[10]。

3)穿透破壞的臨界厚度可采用CEA-EDF公式[15]計(jì)算,要求外罐壁混凝土層的壁厚不低于穿透破壞計(jì)算的臨界厚度。

4)防沖切破壞的驗(yàn)算則可根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)[3,16]的靜力計(jì)算公式進(jìn)行抗沖切承載力計(jì)算。

1.3 沖擊過程局部模型簡化

飛行物撞擊儲罐問題屬于高速沖擊動力學(xué)范疇[17],通常需要根據(jù)實(shí)際情況對飛行物沖擊罐體模型進(jìn)行一定程度簡化:飛行物考慮為剛體;沖擊時(shí)是否考慮重力的影響;沖擊時(shí)是否考慮內(nèi)能和動能的變化,是否考慮熱能的損失;是否考慮飛行物與罐壁之間的摩擦;是否考慮飛行物與罐壁之間的阻尼。

李金光、張?jiān)品濉⑻K娟等人[18-20]都先后對16×104m3、5×104m3大型LNG預(yù)應(yīng)力混凝土全容罐外罐的抗外來飛行物沖擊作用進(jìn)行了驗(yàn)算。蘇娟等人[20]則同時(shí)考慮了空罐和滿罐兩種工況,對LNG混凝土全容罐的有限元分析建模、邊界條件約束處理等作了分析與探討,并進(jìn)行了沖擊荷載作用下LNG全容罐混凝土外罐的動態(tài)響應(yīng)分析,得到了全容罐各控制點(diǎn)的內(nèi)力隨時(shí)間變化的曲線。

2 飛行物沖擊數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 結(jié)構(gòu)建模

本節(jié)采用LUSAS軟件對20×104m3LNG預(yù)應(yīng)力混凝土全容罐穹頂結(jié)構(gòu)在閥門沖擊狀態(tài)下進(jìn)行變形分析和應(yīng)力分析。考慮到閥門沖擊對墻體和底部的影響很小,模型只建立穹頂結(jié)構(gòu)。對閥門施加初始速度,采用非線性控制。模型主要分為穹頂幾何模型、閥門幾何模型兩個(gè)部分。穹頂模型采用厚殼單元。由于閥門與穹頂?shù)慕佑|面很小,所以對穹頂與閥門接觸的部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,沖擊分析中不考慮質(zhì)量和剛度瑞利阻尼,不考慮熱能損失。穹頂和閥門的材料屬性見表1。

表1穹頂和閥門的材料屬性

項(xiàng)目穹頂閥門楊氏模量/MPa29 900195 000泊松比0.20.3質(zhì)量密度/(g·cm-3)2.57.93質(zhì)量瑞利阻尼系數(shù)0.04-剛度瑞利阻尼系數(shù)0.05-

2.2 控制條件

本模型只考慮自重及閥門沖擊荷載,自重荷載模型見圖2。模型中假設(shè)閥門的直徑為0.3 m,質(zhì)量為200 kg,沖擊速度為25 m/s,與穹頂?shù)淖饔妹娣e約為3 000 cm2。

圖2 自重荷載示意圖

在閥門動態(tài)荷載與穹頂接觸時(shí),需要通過滑移線進(jìn)行接觸設(shè)置:

1)主/從屬性的剛度是控制兩滑移線間相互滲透的量,采用隱式求解時(shí)設(shè)置為1.0。

2)庫侖摩擦系數(shù)僅適用于摩擦滑移線。

3)區(qū)間接觸檢測是控制接觸檢測的范圍,采用隱式求解時(shí)采用10/9。

4)滑移延伸是滑移延伸參數(shù),滑移延伸是對滑移線塊超越出初始定義時(shí)的一種延續(xù)。這種延伸可以減少對帶明顯奇異性的滑移線的相互滲透。采取默認(rèn)值0.0。

5)閉合接觸檢測參數(shù)用以校核一個(gè)節(jié)點(diǎn)是否有可能接觸滑移線,見圖3。所采用的面容差是由檢測參數(shù)和面分塊的長度的乘積得到的,其中面分塊指的是有可能發(fā)生節(jié)點(diǎn)滲透的分塊。如面之間的距離小于面容差,則將在接觸前在相應(yīng)的點(diǎn)處引入一個(gè)彈簧結(jié)構(gòu)。默認(rèn)情況下,彈簧的剛度取為面剛度的1/1 000。對穹頂?shù)乃闹苁┘觴yz方向固定約束。

圖3 接觸滑移線設(shè)置示意圖

本次分析屬于在沖擊荷載作用下的動態(tài)響應(yīng)分析,計(jì)算求解需要非線性進(jìn)行控制。動態(tài)求解采用隱式動力學(xué)進(jìn)行求解,求解的時(shí)間步長為0.008 s,即每隔0.008 s輸出一個(gè)結(jié)果。最大時(shí)間步數(shù)或增量數(shù)設(shè)置為10,即共輸出10個(gè)工況。

2.3 計(jì)算結(jié)果

通過對10個(gè)工況的應(yīng)力結(jié)果查看發(fā)現(xiàn),在時(shí)間為0.018 s時(shí),穹頂受到的應(yīng)力最大為4.02 MPa,見圖4。在時(shí)間為0.028 s時(shí),位移最大值為3.225 25 mm,其中包括穹頂自重產(chǎn)生的位移,見圖5。

圖4 飛行物沖擊罐壁底部的應(yīng)力擴(kuò)散示意圖

圖5 飛行物沖擊罐壁底部的位移擴(kuò)散示意圖

3 規(guī)范驗(yàn)算

由于沖擊作用是一個(gè)非線性問題,計(jì)算分析非常復(fù)雜。因此,根據(jù)規(guī)范和已有的文獻(xiàn)資料,結(jié)合數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果,對罐壁穹頂進(jìn)行防沖擊驗(yàn)算。

對穹頂混凝土在沖擊荷載作用下的規(guī)范驗(yàn)算是在邊長為600 mm的正方形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行,穹頂混凝土的厚度為400 mm,上層鋼筋覆蓋厚度為55 mm,鋼筋直徑均為14 mm,第一層鋼筋間距為100 mm,第二層鋼筋間距為300 mm。下層鋼筋覆蓋層厚度為50 mm,粗鋼筋直徑為16 mm,鋼筋間距為100 mm;細(xì)鋼筋直徑為12 mm,鋼筋間距為300 mm。穹頂受到的最大應(yīng)力為4.02 MPa,閥門與穹頂接觸的面積為 568 mm×522 mm=296 496 mm2,所以穹頂與閥門接觸的區(qū)域內(nèi)承受的最大荷載VEd=1 191.91 kN。

C 35/45的混凝土fck=35 Mpa,受拉區(qū)鋼筋合力到下邊緣距離d′和受拉區(qū)鋼筋合力到上邊緣距離D計(jì)算如下：

(1)

D=400-59.3=340.7 mm

(2)

下部受拉區(qū)的鋼筋面積

As=3π×62×2+π×82×2=1 080.16mm2

(3)

式中:fck為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,MPa;d′為受拉區(qū)鋼筋合力到下邊緣距離,mm;D為受拉區(qū)鋼筋合力到上邊緣距離,mm;As為下部受拉區(qū)的鋼筋面積,mm2;As,1為下部受拉區(qū)的細(xì)鋼筋面積，mm2;As,2為下部受拉區(qū)的粗鋼筋面積，mm2;h1為下部受拉區(qū)的細(xì)鋼筋到下邊緣距離，50 mm;h2為下部受拉區(qū)的粗鋼筋到下邊緣距離，75 mm。

3.1 侵徹深度計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[15]侵徹深度計(jì)算結(jié)果如下:

(4)

(5)

3.2 痂斑破壞計(jì)算

痂斑破壞厚度臨界值根據(jù)Bechtel公式[15]計(jì)算如下:

(6)

式中:ts為痂斑破壞厚度臨界值,m。

3.3 穿透破壞計(jì)算

穿透破壞可采用CEA-EDF公式[15]計(jì)算穿透破壞厚度臨界值,計(jì)算結(jié)果如下:

(7)

式中:tp為穿透破壞厚度臨界值,m;ρc為混凝土密度,取值2 500 kg/m3。

3.4 沖切破壞計(jì)算

防沖切破壞的驗(yàn)算可根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)[3]的靜力計(jì)算公式進(jìn)行抗沖切承載力計(jì)算。

3.4.1 沿柱邊的最大抗沖切力計(jì)算

VRd,max=0.5uDvfcd

=0.5×(4×600)×340.7×0.516×23.33

=4 921.730kN>1 191.91kN

(8)

3.4.2 控制周長為2d截面的沖切應(yīng)力計(jì)算

VRd,c=CRd,ck(100ρlfck)1/3+k1σcp

=0.562 2N/mm2

(9)

3.5 驗(yàn)算結(jié)果

按1.2節(jié)要求對侵徹破壞或爆裂破壞、痂斑破壞、穿透破壞和抗沖擊破壞進(jìn)行綜合驗(yàn)算,結(jié)果見表2。經(jīng)過驗(yàn)算可知,不會產(chǎn)生穿透破壞和沖切破壞,此外罐穹頂還有內(nèi)襯鋼板起到保護(hù)作用,故罐頂結(jié)構(gòu)安全。

表2驗(yàn)算結(jié)果表

項(xiàng)目閥門質(zhì)量/kg閥門速度/(m·s-1)侵砌厚度x/m痂斑破壞厚度ts/m穿透破壞厚度tp/m混凝土抗沖切力VRd,max/kN內(nèi)襯鋼板抗沖切應(yīng)力VRd,c/(N·mm-2)計(jì)算值200250.066 4030.348 9520.131 9644 921.7300.562 2校驗(yàn)值--<0.4ts<0.41.2tp<0.4VRd,max>VEd=1 191.91VRd,c>vEd=0.541 5驗(yàn)算結(jié)果--合格合格合格結(jié)構(gòu)安全結(jié)構(gòu)安全

4 結(jié)論

通過對20×104m3大型LNG預(yù)應(yīng)力混凝土全容罐罐頂遭受閥門沖擊作用的有限元模擬分析得出,在受到直徑為300 mm、質(zhì)量為200 kg的閥門以25 m/s的速度垂直沖擊罐頂時(shí),罐頂受到的最大應(yīng)力為4.02 MPa,最大位移為3.225 25 mm。根據(jù)規(guī)范要求和相關(guān)文獻(xiàn)研究成果結(jié)合數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算,通過驗(yàn)算結(jié)果表明在閥門意外沖擊荷載作用下20×104m3大型LNG預(yù)應(yīng)力混凝土全容罐罐頂不會發(fā)生侵砌破壞、痂斑破壞、穿透破壞和抗沖擊破壞,穹頂結(jié)構(gòu)安全可靠。