外浮顶对大型立式储液罐地震反应影响

外浮顶对大型立式储液罐地震反应影响分析摘要：基于ANSYS软件建立了考虑液体晃动和罐底提离的大型外浮顶立式圆柱形储液罐有限元模型，计算了地震作用下大型外浮顶储油罐的动力响应。通过各种浮顶形式（平浮顶、正锥形，倒锥形）的外浮顶储罐与敞口罐地震反应的比较分析，说明了各种形式浮顶的存在对储液罐地震反应产生的影响，从而确定了最优浮顶形式。关键词：立式储液罐；外浮顶；地震反应前言地震是人类社会发展中最严重的自然灾害之一，石油工业设备的地震震害不仅带来巨大的经济损失，而且还易引发次生灾害[1]，导致极为严重的后果。因此，安全、合理地进行立式储液罐的抗震设计，一直是国内外学者所关心的问题。多年来世界上许多国家对其进行了大量的研究[1,2]，取得了阶段性的进展。近年来，我国石油化工业发展迅速，建造了更多、更大的立式储油罐。我国是一个多地震国家，许多立式储油罐都位于地震区，存在着抗震问题。特别在当前面临一个新的地震活动高潮期，由于外浮顶储油罐大大减少了储油蒸发损耗，结构易于处理，是石油化工企业中的主要储油容器，大型储油罐几乎全部采用外浮顶形式，而且直接浮放在基础上[3]。因此，自由搁置在基础上的大型外浮顶储油罐是抗震研究的主要对象。已有震害表明[4~8]，自由搁置的外浮顶储油罐遭受地震时的主要危险在于：1)液面晃动，储油外溢，浮顶卡住，撞击、摩擦起火。若因液面下降，在浮顶下形成局部汽化则更为危险。造成这种破坏的主要原因是液面晃动过大所致。2)罐壁因失稳和强度不足造成“菱形”或“象足”形局部严重变形，导致破裂，使储油外泄。象足凸鼓多发生于近地面处；菱形折皱多产生于近地面处，但立即分两支各自延斜线向上传播，象足失稳是罐壁局部由于竖向受压而失稳，一小段薄壁向外凸出，当作用力逐步向一侧移动时，则形成一条水平失稳带，失稳区可以是一段圆弧。但严重时常可沿环向延伸遍及整个圆周，形成一条车胎形的环箍，名为象足凸鼓。3)罐底贴角处破坏，局部底板脱空，焊缝开裂，造成这种破坏的主要原因是由于储液罐的提离和储液罐基础的不均匀沉降。4)连接管道断裂，储油泄漏。这种破坏是由于储罐的提离、移位和沉陷所引起的，一般可采用构造措施加以防止。迄今为止，国内外对这类自由搁置的大型外浮顶油罐抗震问题，尚无足以对震害破坏现象进行深入分析并提供充分依据的理论研究和计算分析成果，特别是由于液固耦合振动带来的困难和计算手段的缺乏，绝大多数的研究都是针对敞口罐开展研究工作，忽略了外浮顶对罐体的影响，而事实上外浮顶可以减轻液体晃动，减小动水压力。随着计算机硬件和国际通用软件的不断发展，采用大型有限元分析软件进行考虑外浮顶影响的立式储油罐地震反应分析成为可能。本文首先建立了立式外浮顶储液罐ANSYS有限元模型，并对此模型进行了可靠性验证。通过各种浮顶形式（平浮顶、正锥形，倒锥形）的外浮顶储罐与敞口罐地震反应的比较分析，说明了各种形式浮顶的存在对储液罐地震反应产生的影响，从而确定最优浮顶形式。立式储液罐ANSYS模型建立根据薄壁罐的特点，本文选择具有四个节点，每个节点有六个自由度的SHELL181单元建立罐壁模型，在动力荷载下，允许单元的横行剪切变形，允许单元伸展，因而厚度设置为固定的单元参数；罐内液体采用基于Housner模型简化的三维液体单元FLUID80，此单元适合于容器液体、无净流速的液体模型分析，以及有关静水压力计算、固－液耦合计算和加速度效益等；基础采用SOLID45单元，该单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变的特性；浮顶由于其厚度相对较小，也采用SOLID45实体单元模拟；灌顶抗风圈采用BEAM4单元，该单元可用于计算应力硬化及大变形问题。此模型建立的关键是应用了接触单元和目标单元来模拟移动边界的非线性，以此实现了液体的大幅晃动、罐底提离和浮顶与液面随动，采用的单元是与以上罐体单元相匹配的CONTA173单元和TARGE170单元。状态非线性分析的关键点：①罐体与液体接触面之间设置接触对；②罐底与基础之间设置接触对。③液体上表面与浮顶下表面设置接触对。所建的模型以容积为10000立方米外浮顶储液罐为原型，ANSYS模型罐尺寸参考实际罐规格。罐体直径为30.4m，罐高14.27m，罐内液体高度12m。罐壁采取变厚度，这是由于储罐的罐壁承受储液的静压，此静压是按三角形分布，由上至下逐渐增大，故罐壁厚度由上至下逐渐增厚。0-1.5m为18mm，1.5m-3.0m为17mm，3.0m-4.5m为15mm，4.5m-6.0m为13mm，6.0m-7.5m为11mm，7.5m-9.0m为10mm，9.0m-10.5m为8mm，10.5m-14.3m为7mm，罐底厚度为8mm。浮顶浮船外径比储罐内径小500mm，即为29.9m，平浮顶厚度取600mm。罐壁材料采用490MPa级的高强度钢材，考虑材料的非线性，采用双线性随动强化模型，弹性模量为2.06×1011N/m²，屈服强度为4.9×108N/m²，切线模量为2.06×109N/m²。浮顶弹性模量为2.06×1011N/m²，密度近似采用实际重量与体积之比为1×102kg/m³。基础高度为1m，直径为60m，考虑基础的压缩性，采用弹性模量为1.8×109N/m²。罐内液体采用原油，密度为（0.7~1）×10³kg/m³，取1×10³kg/m³，弹性模量3×109N/m²，粘滞系数为0.00113Ns/m。整个模型网格划分采用映射网格划分，在网格划分时力求罐璧网格与罐内液体网格划分结点一致，罐底结点与基础结点一致，浮顶结点与罐内液体结点一致。外覆顶立式储液罐有限元模型如图1所示，接触单元模型如图2所示。图1外浮顶储液罐的有限元模型a）浮顶接触单元和目标单元b）罐底接触单元和目标单元图2外浮顶储液罐的接触单元和目标单元有限元模型立式储液罐地震反应分析地震动采用水平单向EL.CENTRO波，加速度最大峰值为0.1g，出现在2.14s，持续时间12s，时间步长△t为0.02秒。3.1敞口储液罐地震反应分析束由储液罐王震害可知看，储液罐饥震害大部迫分是罐壁脸底部损坏挑，一部分廊储液罐发星生罐顶破谷坏，而且脂明显的看瞎出储液溢统出，这都星说明了地久震时储液缺晃动。由垃数值计算候得到与罐熊壁毗邻左刑右结点的恋液体高度壁变化时程谨曲线如安图程3辩所貌示享,互洪从图中可下以看出，现液面晃动完最大高度眼为平17.3河c众m扁，液面晃寻动是以长牲周期波动柏为主。悲备萍悠翅图童3晃俭与罐壁毗毙邻左右结荒点的液体佳高度变化萄时程曲线恩由数值计妈算得到罐蕉底侧壁左译右结点的计竖向压应鹿力时程曲接线如枝图贞4晒所示，罐府底左右结绕点竖向压坟应力峰值损为诵11.8述MP暴a劝。矩图梁4蜜婆罐底左右矮结点竖向袭应力时程崖曲线准由数值计徐算得到罐鲜底左右结罩点的竖向帽位移时程交曲线如它图葱5怕所示，罐畏底左右结丽点竖向位住移峰值谦为筹5.6m妄m川。显然罐猾底产生了扎提离。圣服蜂图忌5括蓄罐底左右堪结点竖向水位移时程费曲线亡3.2环叠平浮顶储菊液罐地震澡反应分析针常规采用蜻的平浮顶注是指浮顶征底面是平峡面的浮顶钉，由数值考计算得到饼平浮顶储搭液罐与罐鸟壁毗邻左捞右结点的冠液体高度这变化时程猜曲线如俩图陆6野所示，从命图中可以自看出，液鸽面晃动最崇大高度狐为民16.1但c揭m尊，与敞口蛙罐相比液夫面晃动幅谢度减小庭了剖1.2但c荐m左，显然，诉平浮顶起梨到了减小走液面晃动眉的作用。店液面晃动退仍是以长尺周期波动唇为主。蜡刚责图钓6中椒与罐壁毗喝邻左右结晃点的液体现高度变化僻时程曲线狐由数值计态算得到罐祖底左右结滥点的竖向择压应力时寇程曲线如穿图菌7殿所示，可辈以看出，匪罐底左右折结点竖向摧压应力峰屡值门为念11.4范9MP嗓a健。与敞口买罐相比有烦所减小。妥嗽获图统7泡梁罐底左右死结点竖向宇应力时程编曲线跌由数值计洒算得到罐销底左右结揭点的竖向残位移时程野曲线如牙图估8碧所示，可泳以看出，危罐底左右培结点竖向眼提离峰值修为测6.5m尝m雾，比敞口殖罐罐底提席离略有增早加，这是数由于浮顶酸的质量增倍大了储液权晃动时的性倾覆力矩臣。蜡图织8艇蜘罐底左右西结点竖向哪位移时之程曲线咬虎勤总之，虽盟然平浮顶难使液面晃民动降低，菊但是增大铁了罐底提料离高度，煮显然利弊灶共存。因窄此，外浮丢顶的影响四不可忽视部。腹3.3拥涂不同形式蠢外浮顶储逝液罐地震茧反应分析拼为了消除陷平浮顶带裹来的不利瓜因素，试果图通过改门变浮顶形届状来达到乘目的。以死倒锥和正扬锥的外浮狮顶形式举洒例说明，倾倒锥和正携锥的外浮特顶是指浮气顶底面为仓倒锥和正酬锥形的浮很顶。其截宽面示意图锣分别如吉图付9抵，旅1朗0绝所示：替图浙9尽述倒锥形浮狭顶截面简届图叶比永图全10锻架正锥形浮切顶截面简洁图谈倒锥型浮障顶婆高妙H=80还0m拐m怜，失篮高落h撑分别考虑靠取皮200,洪400耗,60净0m浙m乌，正锥形牲浮顶加高袜H=80蕉0m陕m乐，失耐高讯h然取星200m粥m骨。通过地膀震反应计朵算得到与井罐壁毗邻尽左右液面揉结点竖向挨位移曲线貌、罐底左错右结点竖寨向压应力增和罐底竖爱向提离曲肯线与平浮陷顶储液罐宝时得出的狗曲线形状昼基本相同纱，退表皆1崭、奖表愚2未、磁表酬3贷给出倒锥男浮顶、正渡锥浮顶和翁无浮顶、呀平浮顶罐汤的三项指撞标峰值。蹦表赖1友凳与罐壁毗解邻的左右煌液面结点谊竖向位移得峰值错浮顶类型桶与罐壁毗碍邻的左右浸液面结点早竖向位移佳峰唯值蜂(程cm)眯左结点份右结点洋无浮顶尚17.2辰634昌16.7脾82炼平浮顶织14.5尺827奔16.0础847故倒锥浮顶炉（至h=20饿0m俊m僵）隐14.7壮531安16.1拉469迎倒锥浮顶得（企h=40菠0m港m缺）聋15.0密07垫16.3削398较倒锥浮顶今（道h=60匙0m恋m疤）酱12.0斤592须10.8悉04鸡正锥浮顶歌（兔h=20冲0m诚m涨）载14.4园896黄15.9颜698饺表教2盒赢罐底侧壁社左右两侧叼结点竖向如压应力峰盘值虽浮顶类型电罐底侧壁立左右两侧米结点竖向客压应力峰晨值除（饺MP侍a让）斯左结点易右结点稼无浮顶腔11.8曲051遗10.6抬693喉平浮顶毯10.8令825闲9.42泥52忌倒锥浮顶润（论h=20测0m惩m少）怜11.4吧856并9.58匹12宇倒锥浮顶住（性h=40膝0m辜m毫）雨11.2库144墓9.95匀68车倒锥浮顶枯（灵h=60猫0m旁m悲）栗12.2蚕515挡11.3胜662眉正锥浮顶右（阳h=20应0m乓m星）鸣11.0燃985旱9.02仓97申表助3义烂罐底左右劳两侧结点微提离高度相峰值遮浮顶类型巧罐底左右沸两侧结点决提离最大产高度舱（夏m凤m探）牺左结点阀右结点寇无浮顶隆5.08陡5.60牲平浮顶鱼6.12仗6.56殿倒锥浮顶容（盗h=20般0m鹿m杨）根5.92略6.69麦倒锥浮顶崭（画h=40超0m信m逝）酷6.11启6.50陷倒锥浮顶邪（础h=60头0m稳m鹅）饮9.73缓8.49盲正锥浮顶盘（酸h=20慈0m阀m乔）象5.91悬6.69包由计算结市果可知，玩平浮顶的鲜存在使得欣液体晃动泄最大高度渗、罐底侧主壁最大压筐应力都有好明显降低朋，罐底的链提离略有轮增加。可堂见平浮顶秀使得储液固罐的地震损反应得到池一定的降舟低。采用奏正锥形挡（耀h=20铃0m棒m蓝）浮层顶和倒锥勒形俩（村h=20写0m垂m庙，夺400m慌m驻）浮顶得疤到的数值掌计算结果谁和平浮顶滋结果并无栗太大变化蚁，但倒锥润形浮顶依（亮h=60定0m棒m销）的数值猜计算结果帐表明液面雅晃动幅度涛较平浮顶歇有较大减聚小，而罐锋底侧壁竖捎向压应力测有所增加倦，而罐底礼提离明显紧增加，由走此可见当瓣倒锥形浮芹顶失高较敢大时，伴守随着液面做晃动明显赌减轻，罐索底提离却竹大幅提高细。比较分脉析表明，帆平浮顶为把最优浮顶劝形式。结语慌本文基蜂于游ANSY够S缴软件建立眯了外浮顶傻立式储液终罐有限元宏模型，分寇别对键敞口罐、裕不同形式宰的外浮顶俗储液罐蜓进行地震匹反应分析捧。分析表烦明，地震绵荷载作用蛇下，数外浮顶对盆大型立式皆储液罐地魄震反应影颗响不可忽间视，浮顶渗可以减轻压液面晃动证，但同时全增加了罐川底提离高若度，因此卸利弊共存猫。按身敞口罐进贯行计算罐令底提离高烛度偏小，录存在安全斤隐患。找不同形式彼的外浮顶静对大型立浆式储液罐蜡地震反应剑影响规律长基本相同敢，只是程柔度不同。冠综合各种盆指标，度平浮顶为屑最优浮顶痒形式。园参考文献秆：搂郭这骅待.咬美国储液券罐地震反全应的研究蹲概桥况逮.千地震工程降与工程振吩动或，脉1982枣:1~3迷项忠谈权栗,他设李清即林斤.县立式储罐蒸抗跨震秃.挥地震出版粉社功，绿199恋0末，额7砍董帐新廉,紧张苏胜柱布,园搜范隐欣抚.屈乳大型浮顶鞋油罐设计愈与施工方格法的改进傻.兵石油工程障建适设侧,落2000或，划6建:砍3荐Hosk首ins.论L.狐Man照dJa毁cobs前n.L感S.声Wate毙rpr厕essu拍rei绍na丘tank倡cau蓬sed截bya霜sim恳ulat结ede肥arth任quak免e.B但ulle灶tin胸ofS饿eism幕icl长ogic踏alS凑ocie耻tyo滚fAm忽eric栋a.1德934(问1):服1~32蔽E剂dwar阻dsh讽w.浪A史Proc赏edur固e渴for附the狡Dyn订amic将Ana酸lysi童sof请Thi损nwa帝lled崖cyl淹indr功ical酱liq谋uid深stor英age各tank减ssu灰bjec杨ted获tol踪ater物alg奔roun拥dmo趴tion虾.Ph真.D茅issc运rtat此on.喉Univ鞠ersi骨tyo权fMi恐chig耗an,厕Ann蹦Arbo乓rMi巾chig霜an.碍1