大型LNG全容罐抗飛行物沖擊分析驗算

中國石油工程建設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,一旦遭受外來飛行物的撞擊將可能導致全容罐破壞、LNG液體外泄和燃燒,從而導致災難性事故的發生。因此,分析研究LNG預應力混凝土全容罐抗飛行物沖擊的能力是全容罐設計計算的重要內容,也是提高全容罐系統安全性和可靠性的關鍵。

沖擊過程是一個較為復雜的非線性動態響應過程,根據受外來物沖擊載荷的大小,結構可能處于彈性階段、超越彈性階段進入塑性流動狀態、甚至出現撕裂或屈曲等各類形式的破壞或失效。歐洲規范[1-3]也明確要求在LNG預應力混凝土全容罐設計時應當考慮飛行物對全容罐穹頂的沖擊作用,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。

結構抗外來物沖擊作用的動態響應難以用傳統理論進行分析計算,只能采用以計算機技術為基礎的有限元分析方法開展沖擊動力學響應分析計算,如MSC.DYTRAN、LS-DYNA等有限元分析軟件,以動態非線性有限元基本理論和接觸算法為基礎,分析結果能夠滿足工程要求[4-9]。

通過對20×104m3LNG大型預應力混凝土全容罐穹頂在閥門沖擊作用下的結構響應分析計算,定性、定量分析沖擊作用可能產生的破壞能力,據此驗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預應力混凝土全容罐安全性及可靠性的分析計算提供依據。

1 抗飛行物沖擊分析

1.1 沖擊的破壞形式

根據現有文獻的研究成果[10-14],剛性飛行物沖擊混凝土構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預應力混凝土全容罐結構設計時,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度和剛度。

1.2 防沖擊驗算方法

由于沖擊作用是一個非線性問題,計算分析非常復雜,單靠傳統的經驗公式難以準確計算沖擊作用過程中的應力應變關系。根據現有文獻資料和研究成果[15],罐壁穹頂的防沖擊驗算可按照以下方法進行:

1)侵徹破壞或爆裂破壞的深度可采用侵徹深度的經驗公式[15]進行計算,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]計算,要求外罐壁混凝土層的壁厚不低于計算破壞臨界厚度的1.2倍[10]。

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

4)防沖切破壞的驗算則可根據現有標準[3,16]的靜力計算公式進行抗沖切承載力計算。

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范疇[17],通常需要根據實際情況對飛行物沖擊罐體模型進行一定程度簡化:飛行物考慮為剛體;沖擊時是否考慮重力的影響;沖擊時是否考慮內能和動能的變化,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、張云峰、蘇娟等人[18-20]都先后對16×104m3、5×104m3大型LNG預應力混凝土全容罐外罐的抗外來飛行物沖擊作用進行了驗算。蘇娟等人[20]則同時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,并進行了沖擊荷載作用下LNG全容罐混凝土外罐的動態響應分析,得到了全容罐各控制點的內力隨時間變化的曲線。

2 飛行物沖擊數值模擬計算

2.1 結構建模

本節采用LUSAS軟件對20×104m3LNG預應力混凝土全容罐穹頂結構在閥門沖擊狀態下進行變形分析和應力分析。考慮到閥門沖擊對墻體和底部的影響很小,模型只建立穹頂結構。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、閥門幾何模型兩個部分。穹頂模型采用厚殼單元。由于閥門與穹頂的接觸面很小,所以對穹頂與閥門接觸的部分進行網格細化,沖擊分析中不考慮質量和剛度瑞利阻尼,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

項目穹頂閥門楊氏模量/MPa29 900195 000泊松比0.20.3質量密度/(g·cm-3)2.57.93質量瑞利阻尼系數0.04-剛度瑞利阻尼系數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。模型中假設閥門的直徑為0.3 m,質量為200 kg,沖擊速度為25 m/s,與穹頂的作用面積約為3 000 cm2。

圖2 自重荷載示意圖

在閥門動態荷載與穹頂接觸時,需要通過滑移線進行接觸設置:

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

2)庫侖摩擦系數僅適用于摩擦滑移線。

3)區間接觸檢測是控制接觸檢測的范圍,采用隱式求解時采用10/9。

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

5)閉合接觸檢測參數用以校核一個節點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生節點滲透的分塊。如面之間的距離小于面容差,則將在接觸前在相應的點處引入一個彈簧結構。默認情況下,彈簧的剛度取為面剛度的1/1 000。對穹頂的四周施加xyz方向固定約束。

圖3 接觸滑移線設置示意圖

本次分析屬于在沖擊荷載作用下的動態響應分析,計算求解需要非線性進行控制。動態求解采用隱式動力學進行求解,求解的時間步長為0.008 s,即每隔0.008 s輸出一個結果。最大時間步數或增量數設置為10,即共輸出10個工況。

2.3 計算結果

通過對10個工況的應力結果查看發現,在時間為0.018 s時,穹頂受到的應力最大為4.02 MPa,見圖4。在時間為0.028 s時,位移最大值為3.225 25 mm,其中包括穹頂自重產生的位移,見圖5。

圖4 飛行物沖擊罐壁底部的應力擴散示意圖

圖5 飛行物沖擊罐壁底部的位移擴散示意圖

3 規范驗算

由于沖擊作用是一個非線性問題,計算分析非常復雜。因此,根據規范和已有的文獻資料,結合數值分析計算結果,對罐壁穹頂進行防沖擊驗算。

對穹頂混凝土在沖擊荷載作用下的規范驗算是在邊長為600 mm的正方形區域內進行,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;細鋼筋直徑為12 mm,鋼筋間距為300 mm。穹頂受到的最大應力為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域內承受的最大荷載VEd=1 191.91 kN。

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

(1)

D=400-59.3=340.7 mm

(2)

下部受拉區的鋼筋面積

As=3π×62×2+π×82×2=1 080.16mm2

(3)

式中:fck為混凝土抗壓強度設計值,MPa;d′為受拉區鋼筋合力到下邊緣距離,mm;D為受拉區鋼筋合力到上邊緣距離,mm;As為下部受拉區的鋼筋面積,mm2;As,1為下部受拉區的細鋼筋面積，mm2;As,2為下部受拉區的粗鋼筋面積，mm2;h1為下部受拉區的細鋼筋到下邊緣距離，50 mm;h2為下部受拉區的粗鋼筋到下邊緣距離，75 mm。

3.1 侵徹深度計算

根據文獻[15]侵徹深度計算結果如下:

(4)

(5)

3.2 痂斑破壞計算

痂斑破壞厚度臨界值根據Bechtel公式[15]計算如下:

(6)

式中:ts為痂斑破壞厚度臨界值,m。

3.3 穿透破壞計算

穿透破壞可采用CEA-EDF公式[15]計算穿透破壞厚度臨界值,計算結果如下:

(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 沖切破壞計算

防沖切破壞的驗算可根據現有標準[3]的靜力計算公式進行抗沖切承載力計算。

3.4.1 沿柱邊的最大抗沖切力計算

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截面的沖切應力計算

VRd,c=CRd,ck(100ρlfck)1/3+k1σcp

=0.562 2N/mm2

(9)

3.5 驗算結果

按1.2節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行綜合驗算,結果見表2。經過驗算可知,不會產生穿透破壞和沖切破壞,此外罐穹頂還有內襯鋼板起到保護作用,故罐頂結構安全。

表2驗算結果表

項目閥門質量/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內襯鋼板抗沖切應力VRd,c/(N·mm-2)計算值200250.066 4030.348 9520.131 9644 921.7300.562 2校驗值--<0.4ts<0.41.2tp<0.4VRd,max>VEd=1 191.91VRd,c>vEd=0.541 5驗算結果--合格合格合格結構安全結構安全

4 結論

通過對20×104m3大型LNG預應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、質量為200 kg的閥門以25 m/s的速度垂直沖擊罐頂時,罐頂受到的最大應力為4.02 MPa,最大位移為3.225 25 mm。根據規范要求和相關文獻研究成果結合數值分析計算結果進行驗算,通過驗算結果表明在閥門意外沖擊荷載作用下20×104m3大型LNG預應力混凝土全容罐罐頂不會發生侵砌破壞、痂斑破壞、穿透破壞和抗沖擊破壞,穹頂結構安全可靠。