張曉亮

0 引言

立式圓柱形鋼制儲(chǔ)油罐是石油儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的重要儲(chǔ)液容器,多用于存貯易燃、易爆的介質(zhì),是重大危險(xiǎn)源。儲(chǔ)罐一旦在地震作用下發(fā)生破壞,危害十分嚴(yán)重,因此,儲(chǔ)罐的抗震研究成為普遍關(guān)注的課題。儲(chǔ)罐的抗震研究主要分為錨固儲(chǔ)罐和無錨固儲(chǔ)罐兩大類,包括震害調(diào)查、理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和工程應(yīng)用等幾個(gè)方面。其中錨固儲(chǔ)罐的抗震研究起步最早,其在線性彈性方面的不少成果已相當(dāng)成熟,而無錨固儲(chǔ)罐的抗震研究則恰好相反。與錨固儲(chǔ)罐相比,無錨固儲(chǔ)罐的地震響應(yīng)要復(fù)雜得多。無錨固儲(chǔ)罐的抗震研究主要是以提離機(jī)理和提離導(dǎo)致的失穩(wěn)、強(qiáng)度破壞為重點(diǎn),并可從靜力提離和動(dòng)力提離兩方面進(jìn)行研究。

1 儲(chǔ)罐的震害研究

1.1 儲(chǔ)罐常見的震害分析

1)罐壁的損壞主要表現(xiàn)為罐壁底部的“象足式鼓曲”、罐壁的菱形失穩(wěn)以及整個(gè)罐壁嚴(yán)重外鼓。目前對(duì)象足式鼓曲的產(chǎn)生原因認(rèn)識(shí)不一,有的認(rèn)為是軸向失穩(wěn)的一種形式,有的認(rèn)為是環(huán)向拉應(yīng)力與軸向壓力同時(shí)作用引起的強(qiáng)度破壞。罐壁過度變形不一定引起儲(chǔ)油泄漏,但應(yīng)力過大會(huì)撕裂罐壁和底部的連接。罐壁失穩(wěn)鼓曲過大會(huì)使儲(chǔ)油溢出,因此現(xiàn)有的規(guī)范都著重校核罐壁的失穩(wěn)。

2)罐頂?shù)膿p壞與上部罐壁失穩(wěn)。罐頂大致可分為浮頂和固定頂兩類。固定頂?shù)钠茐闹饕泄揄敽凸薇谶B接處開裂和固定頂屈曲等。其原因主要是儲(chǔ)液晃動(dòng)引起的對(duì)流壓力的沖擊及儲(chǔ)液晃動(dòng)形成負(fù)壓所造成。浮頂?shù)钠茐闹饕歉№斏喜繕?gòu)件損壞即浮艙和單盤的焊縫撕裂及浮頂卡住不能升降造成破壞。其原因是液面晃動(dòng)過大所致。

3)罐底板、錨固件和罐底貼角焊縫的破壞。造成此類破壞的原因是儲(chǔ)液罐的翹離和儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的不均勻沉陷或局部沉降。

4)管接頭及附件的破壞。這種破壞是由于儲(chǔ)罐的翹離、移位和沉陷引起,一般可采用構(gòu)造措施加以防止。

5)由于軟土地基沉陷、液化等破壞引起的罐體強(qiáng)度及穩(wěn)定方面的破壞。

1.2 儲(chǔ)罐的震害預(yù)測(cè)

目前國(guó)內(nèi)外最常用的震害預(yù)測(cè)方法有如下幾種[2]:

1)歷史震害統(tǒng)計(jì)法。2)模糊類比法。3)概率預(yù)測(cè)法。4)專家評(píng)估法。5)基于GIS系統(tǒng)的震害預(yù)測(cè)。

2 立式儲(chǔ)罐的抗震研究

文獻(xiàn)[3]對(duì)過去國(guó)內(nèi)外的儲(chǔ)罐抗震研究情況進(jìn)行了總結(jié)。近幾年我國(guó)對(duì)大型儲(chǔ)罐地震動(dòng)力響應(yīng)的研究主要在三個(gè)方面[4]:模態(tài)分析,即自振特性分析;地震動(dòng)力響應(yīng)及屈曲破壞分析;減震抗震研究。儲(chǔ)罐地震響應(yīng)問題與儲(chǔ)罐的固定形式密切相關(guān)。

2.1 錨固罐的抗震研究

近幾年國(guó)內(nèi)的研究成果有[5]:杜英軍等利用ANSYS軟件建立了錨固式儲(chǔ)液罐的有限元計(jì)算模型,分析并且計(jì)算了錨固式儲(chǔ)液罐的固有頻率和振型,研究結(jié)果表明由于振動(dòng)產(chǎn)生的罐體破壞容易發(fā)生在罐體上沿,抗震加強(qiáng)圈應(yīng)靠頂部設(shè)置,此研究結(jié)果還為分析儲(chǔ)液罐在地震載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)和破壞機(jī)理打下了基礎(chǔ)。王健等對(duì)立式圓柱形鋼制儲(chǔ)液罐的固液耦合問題,從理論分析出發(fā),以實(shí)際罐體為例,利用ANSYS軟件,通過合理建模,進(jìn)行了模態(tài)分析。在此之前的研究大部分忽略罐頂?shù)挠绊?此次研究消除了由此而產(chǎn)生的誤差。他們的研究成果還為進(jìn)一步分析罐液系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)打下基礎(chǔ)。王健還利用ANSYS軟件對(duì)空錨固式儲(chǔ)液罐進(jìn)行了模態(tài)分析,在此基礎(chǔ)上通過對(duì)儲(chǔ)液罐施加地震加速度反應(yīng)譜載荷進(jìn)行了譜分析,給出了儲(chǔ)液罐在橫向譜載荷作用下較為詳盡精確的結(jié)果。陳建胡等在Haroun-Housner模型和地基圖集總參數(shù)模型的基礎(chǔ)上建立了立式錨固儲(chǔ)液罐的土—罐—液動(dòng)力相互作用的計(jì)算模型,該模型能夠有效反映儲(chǔ)液罐和地基土的相互作用機(jī)制及儲(chǔ)罐和儲(chǔ)液的耦合效應(yīng)。他們利用此模型對(duì)4種規(guī)格儲(chǔ)液罐進(jìn)行了地震反應(yīng)分析,分析結(jié)果表明:地基土條件對(duì)立式錨固儲(chǔ)液罐的地震反應(yīng)有較大的影響,地基土越硬,儲(chǔ)液罐的基底剪力及傾覆力矩也越大,而地基土的軟硬對(duì)儲(chǔ)液晃動(dòng)位移幾乎沒有影響。

2.2 無錨固罐的抗震研究

無錨固罐的地震響應(yīng)要復(fù)雜得多,特別是其提離機(jī)理及提離導(dǎo)致失穩(wěn)和彈塑性大變形方面的研究還很不完善,至今提出的方法雖多,但還沒有一種方法能得到業(yè)界廣泛認(rèn)同。基于提離機(jī)理和提離導(dǎo)致的破壞現(xiàn)象的研究一直是無錨固罐抗震研究的重點(diǎn)。

近幾年的研究成果有[4,5]:葛頌等在考慮大變形幾何非線性和材料非線性條件下,利用非線性有限元法,以軸對(duì)稱載荷殼單元模型,對(duì)一定尺寸范圍內(nèi)的儲(chǔ)液罐進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)彈塑性屈曲分析,研究了受軸向壓應(yīng)力情況下,環(huán)向應(yīng)力和軸向壓縮失穩(wěn)能力之間的關(guān)系,并強(qiáng)調(diào)了軸向壓力是導(dǎo)致失穩(wěn)的主導(dǎo)作用。陳志平研究了大型儲(chǔ)罐空罐及裝有液體的錨固和非錨固罐的自振特性。分析得到:大型儲(chǔ)罐的振型主要表現(xiàn)為環(huán)向多波的形式,儲(chǔ)液罐固有頻率密集,液面晃動(dòng)對(duì)系統(tǒng)耦合頻率影響很小,儲(chǔ)液密度越大、充裝液體越多,系統(tǒng)的耦合頻率越低,但振型不變。王振考慮土壤地基及液罐耦合作用影響,將土壤視為彈簧阻尼系統(tǒng),提出了三維簡(jiǎn)化多質(zhì)點(diǎn)模型,對(duì)非錨固儲(chǔ)液罐的三維地震響應(yīng)綜合進(jìn)行了理論分析、數(shù)值模擬和三維震動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),通過分析驗(yàn)證了三維地震作用與一維地震作用相比,將使儲(chǔ)罐地震響應(yīng)增大的理論。他們都指出目前的設(shè)計(jì)規(guī)范中不考慮豎向地震分量存在安全隱患。范喜哲等采用ANSYS軟件建立了考慮液體晃動(dòng)和罐底提離立式儲(chǔ)液罐有限元模型,分別進(jìn)行了水平地震和豎向地震作用下罐壁“象足”變形分析。分析表明:立式儲(chǔ)液罐罐壁“象足”變形主要是由罐壁縱向壓應(yīng)力超過臨界應(yīng)力而產(chǎn)生的局部屈曲破壞,并非強(qiáng)度破壞;在完全相同地震加速度作用下,水平地震作用比豎向地震作用罐壁更早更容易進(jìn)入屈曲狀態(tài),產(chǎn)生“象足”變形。孫建剛等在水平地震作用下非錨固儲(chǔ)液罐應(yīng)力與應(yīng)變響應(yīng)分析中得出了與上面相同的結(jié)論。張琳琳在儲(chǔ)液罐動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析中對(duì)儲(chǔ)液罐的“提離”問題、“象足”現(xiàn)象做了初步探討,指出在受同樣內(nèi)壓和軸壓力的情況下,儲(chǔ)液罐底部更容易出現(xiàn)“象足”現(xiàn)象。鄭天心等運(yùn)用ANSYS軟件建立考慮液體晃動(dòng)和罐底提離的儲(chǔ)液罐模型,分析了地震作用下無錨固儲(chǔ)液罐的動(dòng)力響應(yīng)。該模型可以簡(jiǎn)便、有效地模擬殼—液的多種移動(dòng)邊界、幾何大變形和流體液面大幅晃動(dòng)、粘性等多種非線性因素耦合作用的三維的地震反應(yīng)分析問題。同時(shí)還與經(jīng)典的Clough試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了所建模型的可靠性。該模型在數(shù)值分析結(jié)果中成功地再現(xiàn)了液面的大幅晃動(dòng)現(xiàn)象和無錨固儲(chǔ)液罐的罐底提離現(xiàn)象。李文剛等考慮了地基作用,將地基離散為實(shí)體單元,專門對(duì)水平激勵(lì)下的非錨固儲(chǔ)罐內(nèi)液體晃動(dòng)作了分析,得出的結(jié)論是:液面的晃動(dòng)是長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng),液面晃動(dòng)不只是以基本振型為主,前幾階的貢獻(xiàn)也比較大,大體積晃動(dòng)周期比小體積罐的大很多,大體積罐的提離小于小體積罐。

3 結(jié)語(yǔ)

從以上研究來看,目前對(duì)于儲(chǔ)罐震害預(yù)測(cè)的研究還較少,還有許多問題有待于繼續(xù)研究和探討。結(jié)合儲(chǔ)罐自身特點(diǎn)建立系統(tǒng)的適合于儲(chǔ)罐震害預(yù)測(cè)的方法,或者正確地選擇現(xiàn)有的各種震害預(yù)測(cè)方法應(yīng)用于儲(chǔ)罐的震害預(yù)測(cè),將成為今后這方面研究工作的主要任務(wù),需要不斷的努力探索。儲(chǔ)罐的抗震研究非常復(fù)雜,涉及到材料非線性、幾何非線性、移動(dòng)邊界等多重非線性的耦合,尤其是后兩者的問題需要進(jìn)一步研究,另外,非軸對(duì)稱載荷和罐的幾何缺陷等對(duì)失穩(wěn)條件的影響以及儲(chǔ)罐在三維地震動(dòng)和正負(fù)方向作用下的地震反應(yīng)等也是今后尚需研究的問題。

[1]王翠翠.考慮液固耦合儲(chǔ)液罐非線性地震反應(yīng)分析[D].北京:中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所,2009.

[2]李梁峰.儲(chǔ)油罐模糊抗震可靠度及其震害預(yù)測(cè)[D].北京:華僑大學(xué),2004.

[3]王永崗,呂英民,張進(jìn)國(guó).儲(chǔ)液罐抗震研究[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),1999,18(6):1-7.

[4]沈利英,沈士明.大型儲(chǔ)罐地震動(dòng)力響應(yīng)研究綜述[J].壓力容器,2008,25(9):49-53.

[5]陳貴清,邢金瑞.儲(chǔ)液罐的抗震研究史[J].科技信息,2009,33(7):812-814.