特大型LNG储罐等壳体结构抗爆研究综述

葛庆子，翁大根，张瑞甫

(同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092)

随着我国液化天然气(LNG)需求量与进口量逐年增加，沿海地区许多城市已陆续开始采用特大型LNG接收站接收、储存及供应天然气。液化天然气储罐类设施属于生命线工程，其安全性至关重要，一旦遭受非常规荷载如武器袭击或飞行物撞击等，灾难性后果不堪设想。随着2001年美国“9.11”事件的爆发，世界各国对建筑物、构筑物的抗爆研究日益加强，并针对不同类别建(构)筑物的抗爆性能进行研究［1］。

虽目前尚无液化天然气储罐被袭击记录，但类似储运装置遭受袭击案例屡见不鲜［2］。如2005年英国发生的Buncefield油库爆炸事件，造成T908号储罐严重塑性破坏、T910号储罐整体摧毁，由此暴露出储液罐等壳体结构脆弱的抗爆能力［3］。

液化天然气运营主要由四层安全保障:罐体安全设计、泄露控制装置、安全预警系统、接收站区域规划。罐体安全设计为重中之重，尤其特大型LNG储罐遭受常规武器袭击或飞机撞击等冲击荷载作用，罐体安全性问题有待研究［4-5］。

1 常规爆炸冲击荷载研究

核武器爆炸冲击荷载作用研究国外起步较早，国内亦有较多研究成果可借鉴。核武器爆炸释放能量巨大，引起地运动范围亦巨大，一般工程局部场地震动较均匀，因此工程设计中常取其为自由场运动参数。与核爆炸不同，常规武器等爆炸能量相对核爆炸小得多，引起的运动范围也小，自由场运动不均匀，介质与结构相互作用效应显著，结构运动参数较自由场小，工程设计不能再用自由场运动参数。常规武器爆炸传播具有加速度峰值高、持时短、结构材料性能受应变速率影响大等特点［6］。目前，对常规爆炸冲击荷载研究有三种方法:经验法、半经验法、数值模拟法。

1.1 经验法

经验法最早见于美国军队设计手册［7-8］。文献［7］侧重爆炸荷载分析，文献［8］侧重常规武器袭击分析。经验法虽计算简单，但通常对某种试验结果归一化，存在试验条件特殊、适用范围较小等问题，适用性、精度往往较差。

文献［7］系统介绍爆炸荷载的估算、非线性动力分析及常见建(构)筑物分析设计等方法。推荐估算爆炸荷载大小方法有:① 确定爆炸荷载TNT(三硝基甲苯)等效当量W与距离目标物体距离RG;② 用公式ZG=RG/W1/3确定计算等效距离ZG;③ 据ZG及经验曲线确定最大荷载压强Pr、反射脉冲ir、作用持时t0。

文献［8］主要介绍遭受常规武器袭击的防护结构分析设计过程，同样适用于既有结构加固设计。其设计过程为:① 将结构受荷表面划分为若干计算区域，估算每块计算区域的压强时程曲线;② 计算所有区域的脉冲总和;③ 计算得出整体结构表面荷载时程曲线。该过程方法不足在于将荷载同时作用于所有结构表面，而真实结构中冲击波有行波效应。因此会造成上述近点空中爆炸及表面接触爆炸计算误差增大。

1.2 半经验法

Kingery等［9］在文献［8］基础上用半经验法估算爆炸荷载大小，并考虑了荷载随时间指数的递减。因此该方法更接近真实情况，表达式为:

式中:P(t)为t时刻压强;Pso为压强脉冲峰值;T0为绝对作用持时;A为衰减系数;Ta为到达时间。该方法不但广泛应用于估算自由空中爆炸的结构荷载大小，也被编入CONWEP(Collection of conventional weapons effects calculations from the equations and curves)计算程序，故也被称为CONWEP爆炸模型。

1.3 数值模拟方法

随着有限元方法的发展与计算机技术的提高，采用数值模拟方法进行爆炸荷载研究越来越多，并取得良好分析结果。由于爆炸瞬间、爆炸中心周围介质处于高温高压状态，呈现明显流体特性，因此模拟中涉及流固耦合问题，主要采用计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)方法。该方法中常用的离散化方法主要为有限体积法、有限差分法及显式有限单元法［10］。随着无网格法发展，光滑质点流体力学法(Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH)逐渐被应用于爆炸与冲击分析计算中。

2 核反应堆安全壳抗爆研究

核反应堆安全壳与特大型LNG储罐外形结构相似，均属于钢筋混凝土厚壳，见图1、图2。一般核反应堆安全壳直径约18～20 m，结构总高度约50～60 m，厚度约1 000 mm;特大型LNG储罐外径约40 m，总高度约50 m，厚度约800～1 000 mm。核反应堆安全壳抗爆研究，已取得较好进展，回顾与总结其研究成果，对特大型LNG储罐的抗爆研究有重要借鉴意义。

图1 特大型LNG储罐典型剖面示意图Fig.1 Section plan of extra-large LNG storage tank

图2 核反应堆安全壳典型剖面示意图Fig.2 Section plan of nuclear reactor containment

李国豪等［11］在壳体基本动力特性研究基础上开展核反应堆抗爆安全性理论研究，提出核能工程中冲击结构力学若干问题。据固体力学与波动力学基本原理，采用经典板壳理论等对核电站安全壳进行抗冲击波荷载动力分析及抗撞击研究［12-15］，并取得阶段性成果，为我国壳体结构抗爆研究奠定了基础。左家红等［16］采用ADINA程序对秦山核电站安全壳在飞机撞击下的结构反应进行分析。以上研究成果为我国第一座核电站等核电项目建设提供了可靠的理论依据与设计参考，亦可作为特大型LNG储罐的设计理论参考。

随着计算机水平与有限元技术的飞速发展，数值模拟方法成为核电站安全壳抗爆性能分析的主流手段。王天运等［17］据某国防科研课题，采用有限单元法建立核电站安全壳在爆炸冲击波作用下的动力分析模型，提出12质点杆模型，讨论并分析了质点杆模型在安全壳预应力混凝土结构中的应用。文献［18-20］据核电站安全壳结构形式，采用Backman等侵彻假设，建立钢筋混凝土分离式有限元模型，分别对250 m/s、400 m/s、600 m/s着靶速度弹丸侵彻预应力混凝土结构过程进行数值模拟。结果表明:着靶速度对结构的破坏形式与区域有明显影响，弹丸侵彻表现为明显的冲塞现象。文献［21］采用流固耦合算法，对核电站安全壳在爆炸荷载作用下的动力响应进行数值模拟，得出造成安全壳破损的最小安全距离及爆炸当量。数值模拟结果为核电站的主动拦截防护提供了重要技术参数。文献［22］在此研究基础上，以5 000 kg等效TNT当量装药在安全壳100 m外触地爆炸为例研究核电站安全壳基底振动响应，将装药爆炸、土中传播与结构组成有限元分析体系，对安全壳基底振动响应进行分析。结果表明:安全壳基底及壳体压力呈环状分布，在基底及壳体连接处有明显的应力集中;等效应力-时程曲线及径向应力-时程曲线显示，壳体最大等效应力为35 kPa、最大径向应力为32 kPa，均在安全范围内。在给定条件下，基底与壳体响应值远未超出设计值，核电站运行安全可靠。

随着隔震技术在核反应堆工程中的应用，其隔震安全性颇受关注。Huang等［23］研究传统核反应堆与隔震设计核反应堆在地震及爆炸荷载作用下的反应，采用有限单元法、计算流体力学模拟2 000 kgTNT炸药离反应堆10 m位置处爆炸后，两种反应堆所受空气爆炸冲击波及地面振动双重作用下的各种结构响应。结果表明:两种反应堆结构均可有效抵抗该级别的爆炸袭击，隔震层能有效减小结构水平高频加速度分量，从而降低反应堆的加速度反应与基底剪力反应。

3 LNG储罐抗爆研究

3.1 LNG储罐抗爆研究现状

对LNG储罐的抗爆研究最早由美国军方开始，Drake等［24-26］系统研究了钢筋混凝土防护墙及防护壳在爆炸荷载作用下的响应，以及地面爆炸荷载计算、用单质点模型模拟防护墙及防护壳结构、防护结构设计等。Reid［27］在文献［24-26］基础上，通过足尺与缩尺试验等方法研究了加筋土墙及加筋岩土碉堡等常见军用防护设施在常规武器袭击下的抗爆能力。研究结果对该类构筑物的抗爆设计提供了可靠参考资料及设计理论依据，也为LNG储罐的抗爆设计提供了参考。Schneider等［28］对钢制储罐遭受飞行物撞击问题进行研究，并对撞击后储罐的反应进行评估。研究中考虑不同撞击速度、不同撞击角度对撞击结果影响。结果表明:普通钢制储罐仅能抵抗小型飞行物撞击，对客机、运输机、导弹等的撞击抵抗力不足。研究结果对新建、已建储罐的安全性评估有一定指导作用。

Waryas等［5］对LNG接收站遭受两种袭击的可能性及后果进行研究:① 手持式常规武器袭击特大型LNG储罐，② 携带炸弹小型船只撞击LNG运输船(类似于2002年法国油轮Limberg号事件)。研究结果表明:LNG储罐在遭受小型爆炸时会引起剧烈振动从而导致外罐破坏，内罐安全有保证，但连续爆炸会带来一系列诸如储液泄露、火灾等问题;LNG运输船在受到炸弹袭击后损失惨重，船员生命安全不仅无法保证，且若船在近海附近遭袭还可能引起接收站的破坏。Oesterle［29］对普通钢筋混凝土壳进行爆炸模拟试验与有限元模拟分析，结果表明钢筋混凝土壳对爆炸荷载有一定承受能力，但局部破坏不容忽视，若受到非接触爆炸冲击波作用，构件整体能发挥一定塑性变形能力抵抗冲击波能量，但若受到表面接触爆炸则会发生局部严重损坏。这对特大型LNG储罐的抗爆研究有借鉴意义，储罐若受到接触爆炸作用，可能会发生局部严重破坏从而导致储液泄露、爆炸、火灾等一系列严重后果。

马加路［30］针对LNG储罐等结构在遭受爆炸作用时表面形成的爆炸荷载压力场分布问题展开研究，用显式动力学有限元软件对爆炸全过程仿真，并通过半自由空间中地面爆炸的模拟与分析，与爆炸经验公式进行对比验证了有限元模型的正确性，同时提出球壳结构上爆炸荷载分布的简化方法。田晓雪等［31-32］针对特大型LNG储罐在冲击荷载作用下的动力性能进行研究，用质量块撞击储罐外壁及穹顶。研究认为:质量块的质量及速度一定情况下，质量块撞击储罐壁不同位置时，等效应力随储罐高度的降低而降低;并研究质量一定、冲击速度70 m/s时特大型LNG储罐外罐壁响应;质量块以不同速度冲击穹顶时，随着时间的增加穹顶应力扩散范围逐渐增加，达到最大面积时，基本为整个穹顶;冲击荷载只影响撞击点局部应力变化，产生高应力、大应变，其它部分基本不受影响。朱正洋［33］采用多物质欧拉与拉格朗日耦合算法，对近地空中爆炸冲击波与柱形拱壳结构的相互作用进行数值模拟，分别采用刚性体材料及考虑应变率的塑性材料模拟拱壳结构，研究目标在爆炸作用下的运动变形损伤及破坏对爆炸荷载分布影响。数值模拟分析结果表明:拉格朗日-欧拉耦合算法能较好模拟爆炸冲击波在介质中的传播及作用在结构上的爆炸荷载效应。

3.2 特大型LNG储罐抗爆设计方法

目前，国际上常用的LNG储罐设计规范为欧洲规范［34］、英国规范［41］、美国规范［42］等。美国规范中无抗爆设计相关规定，欧洲规范与英国规范对特大型LNG储罐的抗爆设计提出要求及建议的设计方法。欧洲规范规定任何涉及危险液体作业的工厂均存在发生爆炸的可能性，在储罐危险分析中应包括储罐外部爆炸冲击波过压及外部飞行物冲击;由于爆炸荷载随时间变化，因此应进行完整动态分析，以确定爆炸荷载对整个储存系统及单个部件影响，包括对储罐基础影响。

分析爆炸冲击波荷载作用一般采用:

(1)假设爆炸冲击压强时程曲线，确定原始波最大冲击压强Pfree_field。对时程曲线，各国规范尚无统一规定。典型的冲击压强时程曲线见图3，其压强峰值一般取7～12 kN/m2。

图3 典型冲击压强时程曲线Fig.3 Typical time history of blast pressure diagram

(2)确定动力荷载系数。用动力荷载系数经验曲线［35］，通过图3中冲击压强持时τ与外罐自振周期T之比在曲线中求得相应的动力荷载系数DLF，从而得到考虑动力荷载效应的最大冲击压强PDLF=Pfree_fieldDLF。

(3)估算罐壁、罐顶的最大静压强分布。用公式P=PDLF(1+cosθ)估算罐壁各处的最大静压强分布，结果见图4、图5。罐顶压强分布计算采用分片计算方法，将罐顶按垂直冲击波方向平均分为八个区域，最大区域处压强为1.5P，最小区域处压强为0.5P，其余各区域压强按插值法计算，结果见 图6、图7。

表1 冲击荷载验算经验公式Tab.1 Empirical formula of impact loading

图4 罐壁静压强分布平面图Fig.4 Plan of the blast wave pressure acting on the wall

图5 罐壁静压强分布立面图Fig.5 Elevation of the blast wave pressure acting on the wall

图6 罐顶静压强分布平面图Fig.6 Plan of the blast wave pressure acting on the roof

图7 罐顶静压强分布立面图Fig.7 Elevation of the blast wave pressure acting on the roof

(4)将上述压强分布作用于结构，采用有限元软件对结构2D或3D模型进行等效静力分析，验算其抗冲击波荷载安全性。

对飞行物冲击荷载作用，文献［34］建议在一般设计中计算110 kg刚体以45 m/s速度垂直撞击罐体表面，并规定设计标准为在该刚体作用下，罐壁不发生震塌破坏、击穿破坏，罐顶不发生击穿破坏。一般由经验公式估算，四种常用经验公式［36-39］见表1。其中Hs，Hp分别为防止发生震塌破坏、击穿破坏的混凝土厚度;U为DOE-Standard公式中参考速度，取61 m/s;V为刚体飞行速度;M为刚体质量;D为刚体等效直径;f'c为混凝土极限抗压强度;N为刚体形状系数;ρ为混凝土密度;V0为Bechtle公式中参考速度，取60.96 m/s。按上述公式分别计算罐体、罐顶的需求厚度，并取四种公式计算结果中最大值作为设计参考。

4 特大型LNG储罐抗爆研究存在问题与发展趋势

由上述研究现状看出，我国对核反应堆安全壳的抗爆研究从最早采用经验解、解析解进行评估，到采用经典板壳力学方法进行分析，再到利用有限元方法、计算机技术进行研究，均取得一定成果，对核电站设计、建设提供了有力的理论依据。然而我国对特大型LNG储罐类壳体结构的抗爆性能研究尚处于起步阶段，无论经典理论推导研究或精确有限元模拟研究，均有欠缺之处，存在问题及发展趋势有:

(1)均未考虑储罐罐内、外罐间的相互作用，认为内外罐相互独立，而实际中内外罐之间存有保温层(图1)，会有力的传递。内罐及保温层对外罐抗爆能力影响的利弊有待研究。

(2)虽可借鉴核反应堆安全壳研究成果，但特大型LNG储罐与安全壳结构仍有许多不同之处，主要体现在内外罐与储液之间的流固耦合问题。对地震等偶然荷载的作用，特大型LNG储罐流固耦合研究国内外已有成果，但爆炸荷载具有不同于地震荷载持时更短、加速度高频分量多等特点，因此爆炸荷载作用的流固耦合问题有待研究。

(3)为提高特大型LNG储罐的抗震性能，已建、拟建工程均采用隔震技术，隔震储罐的地震反应及安全性分析已有相关研究，但在爆炸荷载作用下，隔震储罐的安全性问题尚不明确，有待研究。

(4)现行特大型LNG储罐抗冲击波荷载设计方法为拟静力方法，将动力荷载简化为静力荷载施加于罐体进行分析，该分析方法存在计算不够准确，反射波考虑过于简单等问题。如该方法假设冲击波水平冲击罐体，而实际工况冲击波会从罐体各个方向袭击，罐顶设计厚度最薄处仅400 mm，能否抗得住冲击波冲击值得商榷。现行抗飞行物冲击设计方法仅考虑刚体水平冲击罐体，未考虑罐顶安全性，而采用经验公式对罐体进行验算，验算可靠性有待研究。对此，需采用高性能计算机进行精确有限元分析或无网格SPH分析，且考虑空气场与特大型LNG储罐结构及内部储液之间的流-固-流耦合问题，涉及流体与储罐的非线性。

(5)对特大型LNG储罐的简化分析多采用简化模型［40］，或进一步改进的模型，对此类模型在爆炸荷载作用下的分析尚未见报导。在有限元分析结果基础上如何改进该经典的简化模型，使其适用于抗爆分析及特大型LNG储罐设计值得研究。

(6)因我国特大型LNG储罐工程均为国外公司或中外联合体进行设计、施工，不同公司所用规范也不相同，且无技术转让，不利于我国特大型LNG接收站的正常运营及安全保障。因此，极需对国外设计的储罐进行系统抗爆研究，以期掌握第一手资料，对我国自主研发特大型LNG储罐设计提供技术支持。

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