外浮頂對(duì)大型立式儲(chǔ)液罐地震反應(yīng)影響

外浮頂對(duì)大型立式儲(chǔ)液罐地震反應(yīng)影響分析摘要：基于ANSYS軟件建立了考慮液體晃動(dòng)和罐底提離的大型外浮頂立式圓柱形儲(chǔ)液罐有限元模型，計(jì)算了地震作用下大型外浮頂儲(chǔ)油罐的動(dòng)力響應(yīng)。通過(guò)各種浮頂形式（平浮頂、正錐形，倒錐形）的外浮頂儲(chǔ)罐與敞口罐地震反應(yīng)的比較分析，說(shuō)明了各種形式浮頂?shù)拇嬖趯?duì)儲(chǔ)液罐地震反應(yīng)產(chǎn)生的影響，從而確定了最優(yōu)浮頂形式。關(guān)鍵詞：立式儲(chǔ)液罐；外浮頂；地震反應(yīng)前言地震是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展中最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，石油工業(yè)設(shè)備的地震震害不僅帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還易引發(fā)次生災(zāi)害[1]，導(dǎo)致極為嚴(yán)重的后果。因此，安全、合理地進(jìn)行立式儲(chǔ)液罐的抗震設(shè)計(jì)，一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者所關(guān)心的問(wèn)題。多年來(lái)世界上許多國(guó)家對(duì)其進(jìn)行了大量的研究[1,2]，取得了階段性的進(jìn)展。近年來(lái)，我國(guó)石油化工業(yè)發(fā)展迅速，建造了更多、更大的立式儲(chǔ)油罐。我國(guó)是一個(gè)多地震國(guó)家，許多立式儲(chǔ)油罐都位于地震區(qū)，存在著抗震問(wèn)題。特別在當(dāng)前面臨一個(gè)新的地震活動(dòng)高潮期，由于外浮頂儲(chǔ)油罐大大減少了儲(chǔ)油蒸發(fā)損耗，結(jié)構(gòu)易于處理，是石油化工企業(yè)中的主要儲(chǔ)油容器，大型儲(chǔ)油罐幾乎全部采用外浮頂形式，而且直接浮放在基礎(chǔ)上[3]。因此，自由擱置在基礎(chǔ)上的大型外浮頂儲(chǔ)油罐是抗震研究的主要對(duì)象。已有震害表明[4~8]，自由擱置的外浮頂儲(chǔ)油罐遭受地震時(shí)的主要危險(xiǎn)在于：1)液面晃動(dòng)，儲(chǔ)油外溢，浮頂卡住，撞擊、摩擦起火。若因液面下降，在浮頂下形成局部汽化則更為危險(xiǎn)。造成這種破壞的主要原因是液面晃動(dòng)過(guò)大所致。2)罐壁因失穩(wěn)和強(qiáng)度不足造成“菱形”或“象足”形局部嚴(yán)重變形，導(dǎo)致破裂，使儲(chǔ)油外泄。象足凸鼓多發(fā)生于近地面處；菱形折皺多產(chǎn)生于近地面處，但立即分兩支各自延斜線向上傳播，象足失穩(wěn)是罐壁局部由于豎向受壓而失穩(wěn)，一小段薄壁向外凸出，當(dāng)作用力逐步向一側(cè)移動(dòng)時(shí)，則形成一條水平失穩(wěn)帶，失穩(wěn)區(qū)可以是一段圓弧。但嚴(yán)重時(shí)?？裳丨h(huán)向延伸遍及整個(gè)圓周，形成一條車(chē)胎形的環(huán)箍，名為象足凸鼓。3)罐底貼角處破壞，局部底板脫空，焊縫開(kāi)裂，造成這種破壞的主要原因是由于儲(chǔ)液罐的提離和儲(chǔ)液罐基礎(chǔ)的不均勻沉降。4)連接管道斷裂，儲(chǔ)油泄漏。這種破壞是由于儲(chǔ)罐的提離、移位和沉陷所引起的，一般可采用構(gòu)造措施加以防止。迄今為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)這類(lèi)自由擱置的大型外浮頂油罐抗震問(wèn)題，尚無(wú)足以對(duì)震害破壞現(xiàn)象進(jìn)行深入分析并提供充分依據(jù)的理論研究和計(jì)算分析成果，特別是由于液固耦合振動(dòng)帶來(lái)的困難和計(jì)算手段的缺乏，絕大多數(shù)的研究都是針對(duì)敞口罐開(kāi)展研究工作，忽略了外浮頂對(duì)罐體的影響，而事實(shí)上外浮頂可以減輕液體晃動(dòng)，減小動(dòng)水壓力。隨著計(jì)算機(jī)硬件和國(guó)際通用軟件的不斷發(fā)展，采用大型有限元分析軟件進(jìn)行考慮外浮頂影響的立式儲(chǔ)油罐地震反應(yīng)分析成為可能。本文首先建立了立式外浮頂儲(chǔ)液罐ANSYS有限元模型，并對(duì)此模型進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證。通過(guò)各種浮頂形式（平浮頂、正錐形，倒錐形）的外浮頂儲(chǔ)罐與敞口罐地震反應(yīng)的比較分析，說(shuō)明了各種形式浮頂?shù)拇嬖趯?duì)儲(chǔ)液罐地震反應(yīng)產(chǎn)生的影響，從而確定最優(yōu)浮頂形式。立式儲(chǔ)液罐ANSYS模型建立根據(jù)薄壁罐的特點(diǎn)，本文選擇具有四個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度的SHELL181單元建立罐壁模型，在動(dòng)力荷載下，允許單元的橫行剪切變形，允許單元伸展，因而厚度設(shè)置為固定的單元參數(shù)；罐內(nèi)液體采用基于Housner模型簡(jiǎn)化的三維液體單元FLUID80，此單元適合于容器液體、無(wú)凈流速的液體模型分析，以及有關(guān)靜水壓力計(jì)算、固－液耦合計(jì)算和加速度效益等；基礎(chǔ)采用SOLID45單元，該單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力剛化、大變形、大應(yīng)變的特性；浮頂由于其厚度相對(duì)較小，也采用SOLID45實(shí)體單元模擬；灌頂抗風(fēng)圈采用BEAM4單元，該單元可用于計(jì)算應(yīng)力硬化及大變形問(wèn)題。此模型建立的關(guān)鍵是應(yīng)用了接觸單元和目標(biāo)單元來(lái)模擬移動(dòng)邊界的非線性，以此實(shí)現(xiàn)了液體的大幅晃動(dòng)、罐底提離和浮頂與液面隨動(dòng)，采用的單元是與以上罐體單元相匹配的CONTA173單元和TARGE170單元。狀態(tài)非線性分析的關(guān)鍵點(diǎn)：①罐體與液體接觸面之間設(shè)置接觸對(duì)；②罐底與基礎(chǔ)之間設(shè)置接觸對(duì)。③液體上表面與浮頂下表面設(shè)置接觸對(duì)。所建的模型以容積為10000立方米外浮頂儲(chǔ)液罐為原型，ANSYS模型罐尺寸參考實(shí)際罐規(guī)格。罐體直徑為30.4m，罐高14.27m，罐內(nèi)液體高度12m。罐壁采取變厚度，這是由于儲(chǔ)罐的罐壁承受儲(chǔ)液的靜壓，此靜壓是按三角形分布，由上至下逐漸增大，故罐壁厚度由上至下逐漸增厚。0-1.5m為18mm，1.5m-3.0m為17mm，3.0m-4.5m為15mm，4.5m-6.0m為13mm，6.0m-7.5m為11mm，7.5m-9.0m為10mm，9.0m-10.5m為8mm，10.5m-14.3m為7mm，罐底厚度為8mm。浮頂浮船外徑比儲(chǔ)罐內(nèi)徑小500mm，即為29.9m，平浮頂厚度取600mm。罐壁材料采用490MPa級(jí)的高強(qiáng)度鋼材，考慮材料的非線性，采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，彈性模量為2.06×1011N/m2，屈服強(qiáng)度為4.9×108N/m2，切線模量為2.06×109N/m2。浮頂彈性模量為2.06×1011N/m2，密度近似采用實(shí)際重量與體積之比為1×102kg/m3。基礎(chǔ)高度為1m，直徑為60m，考慮基礎(chǔ)的壓縮性，采用彈性模量為1.8×109N/m2。罐內(nèi)液體采用原油，密度為（0.7~1）×103kg/m3，取1×103kg/m3，彈性模量3×109N/m2，粘滯系數(shù)為0.00113Ns/m。整個(gè)模型網(wǎng)格劃分采用映射網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分時(shí)力求罐璧網(wǎng)格與罐內(nèi)液體網(wǎng)格劃分結(jié)點(diǎn)一致，罐底結(jié)點(diǎn)與基礎(chǔ)結(jié)點(diǎn)一致，浮頂結(jié)點(diǎn)與罐內(nèi)液體結(jié)點(diǎn)一致。外覆頂立式儲(chǔ)液罐有限元模型如圖1所示，接觸單元模型如圖2所示。圖1外浮頂儲(chǔ)液罐的有限元模型a）浮頂接觸單元和目標(biāo)單元b）罐底接觸單元和目標(biāo)單元圖2外浮頂儲(chǔ)液罐的接觸單元和目標(biāo)單元有限元模型立式儲(chǔ)液罐地震反應(yīng)分析地震動(dòng)采用水平單向EL.CENTRO波，加速度最大峰值為0.1g，出現(xiàn)在2.14s，持續(xù)時(shí)間12s，時(shí)間步長(zhǎng)△t為0.02秒。3.1敞口儲(chǔ)液罐地震反應(yīng)分析束由儲(chǔ)液罐王震害可知看，儲(chǔ)液罐饑震害大部迫分是罐壁臉底部損壞挑，一部分廊儲(chǔ)液罐發(fā)星生罐頂破谷壞，而且脂明顯的看瞎出儲(chǔ)液溢統(tǒng)出，這都星說(shuō)明了地久震時(shí)儲(chǔ)液缺晃動(dòng)。由垃數(shù)值計(jì)算候得到與罐熊壁毗鄰左刑右結(jié)點(diǎn)的戀液體高度壁變化時(shí)程謹(jǐn)曲線如安圖程3辯所貌示享,互洪從圖中可下以看出，現(xiàn)液面晃動(dòng)完最大高度眼為平17.3河c眾m扁，液面晃尋動(dòng)是以長(zhǎng)牲周期波動(dòng)柏為主。悲備萍悠翅圖童3晃儉與罐壁毗斃鄰左右結(jié)荒點(diǎn)的液體佳高度變化萄時(shí)程曲線恩由數(shù)值計(jì)媽算得到罐蕉底側(cè)壁左譯右結(jié)點(diǎn)的計(jì)豎向壓應(yīng)鹿力時(shí)程曲接線如枝圖貞4曬所示，罐府底左右結(jié)繞點(diǎn)豎向壓墳應(yīng)力峰值損為誦11.8述MP暴a勸。矩圖梁4蜜婆罐底左右矮結(jié)點(diǎn)豎向襲應(yīng)力時(shí)程崖曲線準(zhǔn)由數(shù)值計(jì)徐算得到罐鮮底左右結(jié)罩點(diǎn)的豎向帽位移時(shí)程交曲線如它圖蔥5怕所示，罐畏底左右結(jié)麗點(diǎn)豎向位住移峰值謙為籌5.6m妄m川。顯然罐猾底產(chǎn)生了扎提離。圣服蜂圖忌5括蓄罐底左右堪結(jié)點(diǎn)豎向水位移時(shí)程費(fèi)曲線亡3.2環(huán)疊平浮頂儲(chǔ)菊液罐地震澡反應(yīng)分析針常規(guī)采用蜻的平浮頂注是指浮頂征底面是平峽面的浮頂釘，由數(shù)值考計(jì)算得到餅平浮頂儲(chǔ)搭液罐與罐鳥(niǎo)壁毗鄰左撈右結(jié)點(diǎn)的冠液體高度這變化時(shí)程猜曲線如倆圖陸6野所示，從命圖中可以自看出，液鴿面晃動(dòng)最崇大高度狐為民16.1但c揭m尊，與敞口蛙罐相比液夫面晃動(dòng)幅謝度減小庭了剖1.2但c薦m左，顯然，訴平浮頂起梨到了減小走液面晃動(dòng)眉的作用。店液面晃動(dòng)退仍是以長(zhǎng)尺周期波動(dòng)唇為主。蠟剛責(zé)圖釣6中椒與罐壁毗喝鄰左右結(jié)晃點(diǎn)的液體現(xiàn)高度變化僻時(shí)程曲線狐由數(shù)值計(jì)態(tài)算得到罐祖底左右結(jié)濫點(diǎn)的豎向擇壓應(yīng)力時(shí)寇程曲線如穿圖菌7殿所示，可輩以看出，匪罐底左右折結(jié)點(diǎn)豎向摧壓應(yīng)力峰屢值門(mén)為念11.4范9MP嗓a健。與敞口買(mǎi)罐相比有煩所減小。妥嗽獲圖統(tǒng)7泡梁罐底左右死結(jié)點(diǎn)豎向宇應(yīng)力時(shí)程編曲線跌由數(shù)值計(jì)灑算得到罐銷(xiāo)底左右結(jié)揭點(diǎn)的豎向殘位移時(shí)程野曲線如牙圖估8碧所示，可泳以看出，危罐底左右培結(jié)點(diǎn)豎向眼提離峰值修為測(cè)6.5m嘗m霧，比敞口殖罐罐底提席離略有增早加，這是數(shù)由于浮頂酸的質(zhì)量增倍大了儲(chǔ)液權(quán)晃動(dòng)時(shí)的性?xún)A覆力矩臣。蠟圖織8艇蜘罐底左右西結(jié)點(diǎn)豎向哪位移時(shí)之程曲線咬虎勤總之，雖盟然平浮頂難使液面晃民動(dòng)降低，菊但是增大鐵了罐底提料離高度，煮顯然利弊灶共存。因窄此，外浮丟頂?shù)挠绊懰牟豢珊鲆暡俊８?.3擁涂不同形式蠢外浮頂儲(chǔ)逝液罐地震繭反應(yīng)分析拼為了消除陷平浮頂帶裹來(lái)的不利瓜因素，試果圖通過(guò)改門(mén)變浮頂形屆狀來(lái)達(dá)到乘目的。以死倒錐和正揚(yáng)錐的外浮獅頂形式舉灑例說(shuō)明，傾倒錐和正攜錐的外浮特頂是指浮氣頂?shù)酌鏋閭}(cāng)倒錐和正酬錐形的浮很頂。其截寬面示意圖鑼分別如吉圖付9抵，旅1朗0絕所示：替圖浙9盡述倒錐形浮狹頂截面簡(jiǎn)屆圖葉比永圖全10鍛架正錐形浮切頂截面簡(jiǎn)潔圖談倒錐型浮障頂婆高妙H=80還0m拐m憐，失籃高落h撐分別考慮靠取皮200,洪400耗,60凈0m浙m烏，正錐形牲浮頂加高襪H=80蕉0m陜m樂(lè)，失耐高訊h然取星200m粥m骨。通過(guò)地膀震反應(yīng)計(jì)朵算得到與井罐壁毗鄰盡左右液面揉結(jié)點(diǎn)豎向挨位移曲線貌、罐底左錯(cuò)右結(jié)點(diǎn)豎寨向壓應(yīng)力增和罐底豎愛(ài)向提離曲肯線與平浮陷頂儲(chǔ)液罐寶時(shí)得出的狗曲線形狀晝基本相同紗，退表皆1嶄、獎(jiǎng)表愚2未、磁表酬3貸給出倒錐男浮頂、正渡錐浮頂和翁無(wú)浮頂、呀平浮頂罐湯的三項(xiàng)指撞標(biāo)峰值。蹦表賴(lài)1友凳與罐壁毗解鄰的左右煌液面結(jié)點(diǎn)誼豎向位移得峰值錯(cuò)浮頂類(lèi)型桶與罐壁毗礙鄰的左右浸液面結(jié)點(diǎn)早豎向位移佳峰唯值蜂(程cm)瞇左結(jié)點(diǎn)份右結(jié)點(diǎn)洋無(wú)浮頂尚17.2辰634昌16.7脾82煉平浮頂織14.5尺827奔16.0礎(chǔ)847故倒錐浮頂爐（至h=20餓0m俊m僵）隱14.7壯531安16.1拉469迎倒錐浮頂?shù)茫ㄆ骽=40菠0m港m缺）聾15.0密07墊16.3削398較倒錐浮頂今（道h=60匙0m戀m疤）醬12.0斤592須10.8悉04雞正錐浮頂歌（兔h=20沖0m誠(chéng)m漲）載14.4園896黃15.9顏698餃表教2盒贏罐底側(cè)壁社左右兩側(cè)叼結(jié)點(diǎn)豎向如壓應(yīng)力峰盤(pán)值雖浮頂類(lèi)型電罐底側(cè)壁立左右兩側(cè)米結(jié)點(diǎn)豎向客壓應(yīng)力峰晨值除（餃MP侍a讓?zhuān)┧棺蠼Y(jié)點(diǎn)易右結(jié)點(diǎn)稼無(wú)浮頂腔11.8曲051遺10.6抬693喉平浮頂毯10.8令825閑9.42泥52忌倒錐浮頂潤(rùn)（論h=20測(cè)0m懲m少）憐11.4吧856并9.58匹12宇倒錐浮頂?。ㄐ詇=40膝0m辜m毫）雨11.2庫(kù)144墓9.95勻68車(chē)倒錐浮頂枯（靈h=60貓0m旁m悲）栗12.2蠶515擋11.3勝662眉正錐浮頂右（陽(yáng)h=20應(yīng)0m乓m星）鳴11.0燃985旱9.02倉(cāng)97申表助3義爛罐底左右勞兩側(cè)結(jié)點(diǎn)微提離高度相峰值遮浮頂類(lèi)型巧罐底左右沸兩側(cè)結(jié)點(diǎn)決提離最大產(chǎn)高度艙（夏m鳳m探）犧左結(jié)點(diǎn)閥右結(jié)點(diǎn)寇無(wú)浮頂隆5.08陡5.60牲平浮頂魚(yú)6.12仗6.56殿倒錐浮頂容（盜h=20般0m鹿m楊）根5.92略6.69麥倒錐浮頂嶄（畫(huà)h=40超0m信m逝）酷6.11啟6.50陷倒錐浮頂邪（礎(chǔ)h=60頭0m穩(wěn)m鵝）飲9.73緩8.49盲正錐浮頂盤(pán)（酸h=20慈0m閥m喬）象5.91懸6.69包由計(jì)算結(jié)市果可知，玩平浮頂?shù)孽r存在使得欣液體晃動(dòng)泄最大高度滲、罐底側(cè)主壁最大壓筐應(yīng)力都有好明顯降低朋，罐底的鏈提離略有輪增加。可堂見(jiàn)平浮頂秀使得儲(chǔ)液固罐的地震損反應(yīng)得到池一定的降舟低。采用奏正錐形擋（耀h=20鈴0m棒m藍(lán)）浮層頂和倒錐勒形倆（村h=20寫(xiě)0m垂m廟，奪400m慌m駐）浮頂?shù)冒痰降臄?shù)值掌計(jì)算結(jié)果誰(shuí)和平浮頂滋結(jié)果并無(wú)栗太大變化蟻，但倒錐潤(rùn)形浮頂依（亮h=60定0m棒m銷(xiāo)）的數(shù)值猜計(jì)算結(jié)果帳表明液面雅晃動(dòng)幅度濤較平浮頂歇有較大減聚小，而罐鋒底側(cè)壁豎捎向壓應(yīng)力測(cè)有所增加倦，而罐底禮提離明顯緊增加，由走此可見(jiàn)當(dāng)瓣倒錐形浮芹頂失高較敢大時(shí)，伴守隨著液面做晃動(dòng)明顯賭減輕，罐索底提離卻竹大幅提高細(xì)。比較分脈析表明，帆平浮頂為把最優(yōu)浮頂勸形式。結(jié)語(yǔ)慌本文基蜂于游ANSY夠S繳軟件建立瞇了外浮頂傻立式儲(chǔ)液終罐有限元宏模型，分寇別對(duì)鍵敞口罐、裕不同形式宰的外浮頂俗儲(chǔ)液罐蜓進(jìn)行地震匹反應(yīng)分析捧。分析表煩明，地震綿荷載作用蛇下，數(shù)外浮頂對(duì)盆大型立式皆?xún)?chǔ)液罐地魄震反應(yīng)影顆響不可忽間視，浮頂滲可以減輕壓液面晃動(dòng)證，但同時(shí)全增加了罐川底提離高若度，因此卸利弊共存貓。按身敞口罐進(jìn)貫行計(jì)算罐令底提離高燭度偏小，錄存在安全斤隱患。找不同形式彼的外浮頂靜對(duì)大型立漿式儲(chǔ)液罐蠟地震反應(yīng)劍影響規(guī)律長(zhǎng)基本相同敢，只是程柔度不同。冠綜合各種盆指標(biāo)，度平浮頂為屑最優(yōu)浮頂癢形式。園參考文獻(xiàn)稈：摟郭這驊待.咬美國(guó)儲(chǔ)液券罐地震反全應(yīng)的研究蹲概橋況逮.千地震工程降與工程振吩動(dòng)或，脈1982棗:1~3迷項(xiàng)忠談權(quán)栗,他設(shè)李清即林斤.縣立式儲(chǔ)罐蒸抗跨震禿.揮地震出版粉社功，綠199戀0末，額7砍董帳新廉,緊張?zhí)K勝柱布,園搜范隱欣撫.屈乳大型浮頂鞋油罐設(shè)計(jì)愈與施工方格法的改進(jìn)傻.兵石油工程障建適設(shè)側(cè),落2000或，劃6建:砍3薦Hosk首ins.論L.狐Man照dJa毀cobs前n.L感S.聲Wate斃rpr廁essu拍rei紹na丘tank倡cau蓬sed截bya霜sim懇ulat結(jié)ede肥arth任quak免e.B但ulle灶tin胸ofS餓eism幕icl長(zhǎng)ogic踏alS湊ocie恥tyo滾fAm忽eric棟a.1德934(問(wèn)1):服1~32蔽E劑dwar阻dsh諷w.浪A史Proc賞edur固e渴for附the狡Dyn訂amic將Ana酸lysi童sof請(qǐng)Thi損nwa帝lled崖cyl淹indr功ical醬liq謀uid深stor英age各tank減ssu灰bjec楊ted獲tol蹤ater物alg奔roun擁dmo趴tion蝦.Ph真.D茅issc運(yùn)rtat此on.喉Univ鞠ersi骨tyo權(quán)fMi恐chig耗an,廁Ann蹦Arbo乓rMi巾chig霜an.礙1