立式圆柱形储罐的震害及抗震研究

张晓亮

0 引言

立式圆柱形钢制储油罐是石油储运系统的重要储液容器,多用于存贮易燃、易爆的介质,是重大危险源。储罐一旦在地震作用下发生破坏,危害十分严重,因此,储罐的抗震研究成为普遍关注的课题。储罐的抗震研究主要分为锚固储罐和无锚固储罐两大类,包括震害调查、理论分析、实验研究和工程应用等几个方面。其中锚固储罐的抗震研究起步最早,其在线性弹性方面的不少成果已相当成熟,而无锚固储罐的抗震研究则恰好相反。与锚固储罐相比,无锚固储罐的地震响应要复杂得多。无锚固储罐的抗震研究主要是以提离机理和提离导致的失稳、强度破坏为重点,并可从静力提离和动力提离两方面进行研究。

1 储罐的震害研究

1.1 储罐常见的震害分析

1)罐壁的损坏主要表现为罐壁底部的“象足式鼓曲”、罐壁的菱形失稳以及整个罐壁严重外鼓。目前对象足式鼓曲的产生原因认识不一,有的认为是轴向失稳的一种形式,有的认为是环向拉应力与轴向压力同时作用引起的强度破坏。罐壁过度变形不一定引起储油泄漏,但应力过大会撕裂罐壁和底部的连接。罐壁失稳鼓曲过大会使储油溢出,因此现有的规范都着重校核罐壁的失稳。

2)罐顶的损坏与上部罐壁失稳。罐顶大致可分为浮顶和固定顶两类。固定顶的破坏主要有罐顶和罐壁连接处开裂和固定顶屈曲等。其原因主要是储液晃动引起的对流压力的冲击及储液晃动形成负压所造成。浮顶的破坏主要是浮顶上部构件损坏即浮舱和单盘的焊缝撕裂及浮顶卡住不能升降造成破坏。其原因是液面晃动过大所致。

3)罐底板、锚固件和罐底贴角焊缝的破坏。造成此类破坏的原因是储液罐的翘离和储罐基础的不均匀沉陷或局部沉降。

4)管接头及附件的破坏。这种破坏是由于储罐的翘离、移位和沉陷引起,一般可采用构造措施加以防止。

5)由于软土地基沉陷、液化等破坏引起的罐体强度及稳定方面的破坏。

1.2 储罐的震害预测

目前国内外最常用的震害预测方法有如下几种[2]:

1)历史震害统计法。2)模糊类比法。3)概率预测法。4)专家评估法。5)基于GIS系统的震害预测。

2 立式储罐的抗震研究

文献[3]对过去国内外的储罐抗震研究情况进行了总结。近几年我国对大型储罐地震动力响应的研究主要在三个方面[4]:模态分析,即自振特性分析;地震动力响应及屈曲破坏分析;减震抗震研究。储罐地震响应问题与储罐的固定形式密切相关。

2.1 锚固罐的抗震研究

近几年国内的研究成果有[5]:杜英军等利用ANSYS软件建立了锚固式储液罐的有限元计算模型,分析并且计算了锚固式储液罐的固有频率和振型,研究结果表明由于振动产生的罐体破坏容易发生在罐体上沿,抗震加强圈应靠顶部设置,此研究结果还为分析储液罐在地震载荷作用下的动力响应和破坏机理打下了基础。王健等对立式圆柱形钢制储液罐的固液耦合问题,从理论分析出发,以实际罐体为例,利用ANSYS软件,通过合理建模,进行了模态分析。在此之前的研究大部分忽略罐顶的影响,此次研究消除了由此而产生的误差。他们的研究成果还为进一步分析罐液系统的动力响应打下基础。王健还利用ANSYS软件对空锚固式储液罐进行了模态分析,在此基础上通过对储液罐施加地震加速度反应谱载荷进行了谱分析,给出了储液罐在横向谱载荷作用下较为详尽精确的结果。陈建胡等在Haroun-Housner模型和地基图集总参数模型的基础上建立了立式锚固储液罐的土—罐—液动力相互作用的计算模型,该模型能够有效反映储液罐和地基土的相互作用机制及储罐和储液的耦合效应。他们利用此模型对4种规格储液罐进行了地震反应分析,分析结果表明:地基土条件对立式锚固储液罐的地震反应有较大的影响,地基土越硬,储液罐的基底剪力及倾覆力矩也越大,而地基土的软硬对储液晃动位移几乎没有影响。

2.2 无锚固罐的抗震研究

无锚固罐的地震响应要复杂得多,特别是其提离机理及提离导致失稳和弹塑性大变形方面的研究还很不完善,至今提出的方法虽多,但还没有一种方法能得到业界广泛认同。基于提离机理和提离导致的破坏现象的研究一直是无锚固罐抗震研究的重点。

近几年的研究成果有[4,5]:葛颂等在考虑大变形几何非线性和材料非线性条件下,利用非线性有限元法,以轴对称载荷壳单元模型,对一定尺寸范围内的储液罐进行了准静态弹塑性屈曲分析,研究了受轴向压应力情况下,环向应力和轴向压缩失稳能力之间的关系,并强调了轴向压力是导致失稳的主导作用。陈志平研究了大型储罐空罐及装有液体的锚固和非锚固罐的自振特性。分析得到:大型储罐的振型主要表现为环向多波的形式,储液罐固有频率密集,液面晃动对系统耦合频率影响很小,储液密度越大、充装液体越多,系统的耦合频率越低,但振型不变。王振考虑土壤地基及液罐耦合作用影响,将土壤视为弹簧阻尼系统,提出了三维简化多质点模型,对非锚固储液罐的三维地震响应综合进行了理论分析、数值模拟和三维震动台试验,通过分析验证了三维地震作用与一维地震作用相比,将使储罐地震响应增大的理论。他们都指出目前的设计规范中不考虑竖向地震分量存在安全隐患。范喜哲等采用ANSYS软件建立了考虑液体晃动和罐底提离立式储液罐有限元模型,分别进行了水平地震和竖向地震作用下罐壁“象足”变形分析。分析表明:立式储液罐罐壁“象足”变形主要是由罐壁纵向压应力超过临界应力而产生的局部屈曲破坏,并非强度破坏;在完全相同地震加速度作用下,水平地震作用比竖向地震作用罐壁更早更容易进入屈曲状态,产生“象足”变形。孙建刚等在水平地震作用下非锚固储液罐应力与应变响应分析中得出了与上面相同的结论。张琳琳在储液罐动态响应分析中对储液罐的“提离”问题、“象足”现象做了初步探讨,指出在受同样内压和轴压力的情况下,储液罐底部更容易出现“象足”现象。郑天心等运用ANSYS软件建立考虑液体晃动和罐底提离的储液罐模型,分析了地震作用下无锚固储液罐的动力响应。该模型可以简便、有效地模拟壳—液的多种移动边界、几何大变形和流体液面大幅晃动、粘性等多种非线性因素耦合作用的三维的地震反应分析问题。同时还与经典的Clough试验结果进行比较,验证了所建模型的可靠性。该模型在数值分析结果中成功地再现了液面的大幅晃动现象和无锚固储液罐的罐底提离现象。李文刚等考虑了地基作用,将地基离散为实体单元,专门对水平激励下的非锚固储罐内液体晃动作了分析,得出的结论是:液面的晃动是长周期运动,液面晃动不只是以基本振型为主,前几阶的贡献也比较大,大体积晃动周期比小体积罐的大很多,大体积罐的提离小于小体积罐。

3 结语

从以上研究来看,目前对于储罐震害预测的研究还较少,还有许多问题有待于继续研究和探讨。结合储罐自身特点建立系统的适合于储罐震害预测的方法,或者正确地选择现有的各种震害预测方法应用于储罐的震害预测,将成为今后这方面研究工作的主要任务,需要不断的努力探索。储罐的抗震研究非常复杂,涉及到材料非线性、几何非线性、移动边界等多重非线性的耦合,尤其是后两者的问题需要进一步研究,另外,非轴对称载荷和罐的几何缺陷等对失稳条件的影响以及储罐在三维地震动和正负方向作用下的地震反应等也是今后尚需研究的问题。

[1]王翠翠.考虑液固耦合储液罐非线性地震反应分析[D].北京:中国地震局工程力学研究所,2009.

[2]李梁峰.储油罐模糊抗震可靠度及其震害预测[D].北京:华侨大学,2004.

[3]王永岗,吕英民,张进国.储液罐抗震研究[J].油气储运,1999,18(6):1-7.

[4]沈利英,沈士明.大型储罐地震动力响应研究综述[J].压力容器,2008,25(9):49-53.

[5]陈贵清,邢金瑞.储液罐的抗震研究史[J].科技信息,2009,33(7):812-814.