全容式LNG储罐在飞行物冲击作用下的局部效应验算

李金光，郑建华，李 航，宋延杰

（中国寰球工程公司，北京 100012）

0 引言

LNG接收站项目在国内的建设已进入高峰时期，已建成投产的项目有5个，在建和拟建的项目也有5个左右，这些项目的储罐型式几乎全部为全容式LNG储罐[1]。由于LNG是易燃易爆的危险物质，且全容式LNG储罐的体积庞大，一旦发生破坏，引起的灾害将是巨大的，因此，混凝土外罐的一个主要功能是保护储罐内部免遭外部灾难事件的破坏。参考文献[2-4]规定储罐设计时应考虑飞行物对储罐的撞击作用，混凝土外罐应能承受外部爆炸引起的飞行物对储罐的撞击。显然，飞行物对外罐的冲击作用计算已是外罐设计工作中的一项重要内容，但是除了参考文献[2]提出的 “用质量为50 kg、飞行速度为 45 m/s的阀门进行冲击计算”这一建议性的条款外，各国LNG设计规范对如何计算这个冲击作用还缺乏明确的可操作的指导条款。

本文在现有的混凝土构件抗冲击作用研究成果的基础上，对LNG储罐混凝土外罐在飞行物冲击作用下的局部效应验算方法进行了归纳总结，并以16万m3储罐为例，进行了详细计算。

1 飞行物冲击作用的局部效应分析

刚性飞行物对混凝土构件的冲击作用可能引起下列五种局部效应，如图1所示[5]。

图1 飞行物冲击作用下的局部效应示意

（1）侵彻破坏：飞行物钻入混凝土构件的内部，但没有刺穿混凝土构件，通常以贯入构件的深度x来表示。

（2）穿透破坏：飞行物完全刺穿混凝土构件，刺穿时，速度可为零，也可不为零。

（3）痂斑破坏：飞行物撞击混凝土构件时，撞击面背面的混凝土被弹射出来，但构件没被刺穿。

（4）爆裂破坏：飞行物撞击混凝土构件时，撞击面的混凝土被弹射出来，但构件没被刺穿。

（5）冲切破坏：飞行物撞击混凝土构件时，冲击区域附近发生剪切破坏，属于穿透的一种类型。

对于混凝土外罐的设计来讲，侵彻破坏和爆裂破坏不会破坏储罐内部的设备和环境，是可接受的破坏形式。穿透破坏和冲切破坏会刺穿外罐混凝土层，破坏储罐内部设备和环境，是不可接受的破坏形式，这就要求混凝土外罐有足够的壁厚。痂斑破坏时，尽管弹射出的混凝土碎块速度要远小于飞行物冲击速度 （当壁厚大于穿透厚度时），但它们仍会对内罐产生破坏，故属于不可接受的破坏形式，这也要求混凝土外罐有足够的壁厚。

2 飞行物冲击作用的局部效应计算

2.1 穿透破坏厚度临界值计算

当飞行物刚好刺穿某厚度的混凝土构件时，速度由初始速度减小到零，该厚度称为穿透破坏厚度临界值，计算该临界值的经验公式可采用CEAEDF 公式[6]：

式中tp——穿透破坏厚度临界值/m；

f′c——混凝土圆柱体抗压强度/Pa；

ρc——混凝土密度/（kg/m3）；

M——飞行物的质量/kg；

d——飞行物的直径/m；

V0——飞行物的初始冲击速度/（m/s），适用于20～200 m/s的范围。

2.2 痂斑破坏厚度临界值计算

当混凝土构件厚度达到某一值时，在特定质量、特定半径和特定初始速度飞行物的冲击下，混凝土构件刚好不发生痂斑破坏，该厚度称为痂斑破坏厚度临界值，计算该临界值的经验公式可用Bechtel公式[7]：

式中ts——痂斑破坏厚度临界值/m。

2.3 侵彻深度计算

侵彻深度的计算一方面是为了验证混凝土构件不被刺穿，另一方面是计算冲击作用的等效静力荷载，为冲击作用的整体分析提供荷载条件。当飞行物的初始冲击速度小于152 m/s时，计算侵彻深度的经验公式可用NDRC公式[7]：

式中x——侵彻深度/m；

N——飞行物形状系数，取值0.72、0.84、1.0和1.14，分别对应于平板形状、半球状、钝状和尖端状；当冲击物为阀门时，取值为1.0。

2.4 等效冲击荷载计算

假定在整个飞行物的冲击作用阶段作用于混凝土构件的冲击力为常数，根据NDRC公式计算出的侵彻深度x，可以求得等效冲击荷载。根据能量守恒原理，可得平衡方程为：

式中E0——飞行物冲击前的动能/J；

Em——飞行物冲击变形能/J；

Ec——混凝土弹性变形能/J；

Ep——飞行物侵彻作用损失的能量/J；

δm——飞行物的弹性变形/m；

δc——冲击位置混凝土的弹性变形/m；

F——作用于混凝土构件的等效冲击力/N。

一般假定飞行物为刚体，故Em为零；又由于混凝土的弹性变形能与飞行物冲击作用前的动能相比是非常小的部分，可忽略不计 （相对于设计来讲偏安全），这样式 （5）可简化为：

2.5 冲切承载力计算

对于混凝土构件还应当验算其冲切承载力能否满足飞行物的冲击作用，确保不发生冲切破坏。若不能满足冲击力作用时，应配置抗冲切钢筋。具体的计算公式可见参考文献[8]的6.5.1-1、6.5.3-1和6.5.3-2，分列如下：

当不配置抗冲切箍筋时，冲切承载力应满足：

当冲切承载力不满足式 （11）时，配置箍筋的冲切承载力应满足：

式中 βh——截面高度影响系数；

ft——轴心抗拉强度设计值/MPa；

η——取局部荷载作用面积形状的影响系数和计算截面周长与板截面有效高度之比的影响系数二者的较小值；

um——计算截面的周长/m；

h0——计算截面的有效高度/m；

fyv——箍筋的抗拉强度设计值/MPa；

Asv——箍筋的截面面积/mm2。

由于飞行物冲击属于动力作用，而式 （11）～（13）是静力计算公式，所以上述公式中的材料强度应乘以动力提高系数，参考文献[9]对动力提高系数的值进行了规定：HRB335级钢筋的fyv动力提高系数为 1.15，HRB400级钢筋的 fyv动力提高系数为1.10，混凝土的ft动力提高系数为1.10。

3 设计要求

为了使混凝土构件满足在飞行物冲击作用不发生灾难性破坏的使用要求，参考文献[9]对构件厚度提出了具体要求：

为了防止穿透破坏，混凝土壁厚应大于穿透破坏厚度临界值的20%。为了防止痂斑破坏，可在冲击作用背面设置防护罩；当缺乏防护罩时，混凝土壁厚应至少大于痂斑破坏厚度临界值的20%。

4 计算实例

以某16万m3LNG储罐为例，混凝土外罐的罐顶厚度troof为0.4 m，罐壁厚度twall为0.8 m；C50混凝土，圆柱体抗压强度f′c为40MPa，轴心抗拉强度设计值 ft为 1.89 MPa，密度 ρc为 2 500 kg/m3；罐顶内衬钢板厚度tliner为6 mm，抗剪承载力fv_liner为 180 MPa； 飞行物为 φ101.6 mm （4 in）NPS法兰，其质量M为110 kg，等效直径d为0.3 m，冲击初始速度V0为45 m/s。

把上述参数代入式 （1），得tp=0.145 m；代入式 （2），得 ts=0.345 m； 代入式 （3）， 得 x=0.081 m； 代入式 （10）， 得F=1.375 MN。

1.2tp=0.174 m＜troof=0.4 m，满足穿透破坏的设计要求。

ts=0.345 m ＜troof=0.4 m，1.2 ts=0.414 m＞troof=0.4 m，但因罐顶有内衬钢板，钢板起到防护罩的作用，故满足痂斑破坏的设计要求。

由于罐顶有内衬钢板附着在底面，故冲切计算时应考虑钢板的冲切承载力。将已知参数代入公式（11）， 得 Fc_roof=4.77 MN， Fc_wall=3.94 MN。

F=1.375 ＜ Fc_wall， F=1.375 ＜ Fc_roof， 满足冲切承载力要求。

综合以上计算结果，可知该储罐的混凝土外罐能够承受飞行物的局部冲击作用。

5 结束语

通过对现有混凝土构件受冲击作用计算研究成果的分析研究，总结了适用于全容式LNG储罐混凝土外罐在飞行物冲击作用下的局部效应验算方法与计算要点。

算例的计算结果表明，对于该LNG储罐混凝土外罐，由于在罐顶底面铺设了钢内衬板，罐顶抵抗飞行物冲击的能力大大提高，该罐顶截面厚度取值能够满足飞行物的冲击作用要求；罐壁厚度较罐顶厚度大，有足够的能力来抵抗飞行物的冲击作用。

对于大容量 （≥16万m3）的全容式LNG储罐，由于最小罐顶壁厚一般不会小于0.4 m，故罐顶截面厚度取值能够满足飞行物的冲击作用；罐壁厚度较厚，也能承受飞行物的冲击作用。

对于容量较小的全容式LNG储罐，其罐壁和罐顶厚度取值可能会较上述算例的取值小，此时截面厚度取值可能不能满足飞行物的冲击作用要求，可按本文推荐的公式进行具体计算。

[1]黄淑女，王作乾.我国第一座16万m3全容LNG储罐[J].石油工程建设，2009，35（4）：15-17.

[2]BS 7777-1:1993， Flat-bottomed， vertical， cylindrical storage tanks for low temperature service，Part 1:Guide to the general provision applying for design，construction，installaton and operation[S].

[3]BS 7777-3:1993， Flat-bottomed， vertical， cylindrical storage tanks for low temperature service，Part 3:Recommendations for the design and construction of prestressed and reinforced concrete tanks and tank foundations，and for the design and installation of tank insulation，tank liners and tank coatings[S].

[4]EN 14620-1:2006， Design and manufacture of site built， vertical，cylindrical， flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated，liquefied gases with operating temperatures between 0℃and-165℃，Part 1:General[S].

[5]Josef Roetzer，Hamish Douglas.Hazard and safety probes for LNG tanks[J].LNG Journal， 2006，（11）:27-28.

[6]Berriaud C，Sokolovsky A，Gueraud R，et al.Local behaviour of reinforced concrete walls under missile impact[J].Nucl.Eng.Design，1978，45（2）：457-469.

[7]George E Sliter.Assessment of Empirical Concrete Impact Formulas[J].Journal of the Structural Division，1980，106（5）:1 023-1 045.

[8]GB 50010-2010，混凝土结构设计规范[S].

[9]ACI 349-01，Code Requirements for Nuclear Safety Related Concrete Structures[S].