大型LNG储罐爆炸载荷效应数值分析

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300450）

液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）主要成分为甲烷，是一种优质清洁能源。随着社会经济的快速发展，能源消耗量激增，LNG储罐数量和规模越来越大，对地区经济发展的作用也愈发重要。由于LNG具有易燃易爆的特性，储罐一旦发生泄漏故障易引发火灾、爆炸等恶性事故，不但人员和财产将造成严重损失，还会对储罐系统本质安全和使用寿命产生重要影响。因此，合理考虑爆炸载荷作用的效果影响，优化结构设计，对储罐安全性和经济性具有重要意义[1-3]。

1 爆炸载荷计算方法

依照规范BS EN 14620，全容式大型LNG储罐工程设计时，必须考虑爆炸荷载对储罐的冲击影响。分析爆炸原理以及储罐结构特点，爆炸所引发的冲击波将在短时间内以正压力的形式主要对储罐的穹顶和墙体产生冲击作用。由于目前尚未发生过LNG储罐爆炸破坏的事故实例，因此目前主要进行理论方面的分析和研究[4]。

根据结构动力学理论，得到爆炸冲击荷载作用下LNG储罐体系动力反应的控制方程为：

在实际工程应用中，可根据相关经验，采用等效静力爆炸荷载分析储罐各结构部位的响应规律，以满足实际设计工况要求，等效爆炸荷载如表达式(2)所示：

等效爆炸载荷随时间变化的时程曲线如图1所示：

图1 等效爆炸载荷随时间变化曲线

作用于储罐墙体和穹顶结构不同位置的等效载荷同角度α呈函数关系。根据相关工程经验，储罐墙体的等效载荷分布沿着周向角度α由最大2 Preflected逐渐减弱至0，在储罐墙体α=0°处最大，在α=180°最小，如图2所示。穹顶的等效载荷分布沿着角度α由最大1.5 Pre fl ected逐渐减弱至0，如图3所示。储罐各结构部位等效爆炸荷载如表达式(3)所示：

图2 墙体等效爆炸载荷变化图

图3 穹顶等效爆炸载荷变化图

2 ANSYS有限元模型

本文以某项目一座160000m3LNG储罐为研究对象，搭建有限元模型。其中承台外径89m，厚度1～1.2m；墙体内径84m，厚度0.7～0.8m；穹顶内径84m，矢高10.154m，厚度0.4-2m。桩基采用灌注形式建造，直径1.2～1.5m。有研究表明，内罐对外罐的爆炸冲击响应影响相对较小，同时考虑到有限元计算规模，本文暂不考虑内罐的影响[6]。储罐地上结构选用高强度C50混凝土浇筑，桩基采用C40混凝土灌注，材料属性参数如表1所示[7]：

表1 C40和C50等级混凝土主要材料属性表

混凝土外罐属于特种结构。为能够准确模拟爆炸载荷的影响效应，提高有限元仿真精度，选用三维高阶SOLID186单元建模。SOLID186单元基于20节点进行仿真运算，各节点具备三个方向自由度，对于模型的不规则网格结构，能够更加精确进行模拟结构受力状况。对于储罐穹顶、墙体、承台、桩帽、桩均采用MPC多点约束算法进行处理，自动创建刚性区域[8-9]。有限元模型如图4所示。

图4 160000m3LNG储罐有限元模型图

3 有限元结果分析

借助APDL工具编写爆炸等效载荷函数加载公式，对穹顶和墙体施加载荷，获取主要时刻储罐整体变形和应力如图5至图10所示：

图5 t=0.25s储罐整体位移云图

图6 t=0.25s储罐整体应力分布图

图7 t=0.5s储罐整体位移云图

图8 t=0.5s储罐整体应力分布图

图9 t=0.75s储罐整体位移云图

图10 t=0.75s储罐整体应力分布

经对以上图形对比显示，储罐整体位移和应力随着爆炸载荷先变大后减小。其中，在穹顶0～90°和墙体-90～90°区域产生较大收缩位移，其他区则域产生较大膨胀位移，在t=0.05s等效载荷达到最大值，储罐墙体和穹顶交汇位置α=180°处发生最大膨胀位移0.814mm，在桩帽位置发生最大的应力1.07MPa，低于C40混凝土强度设计值。

在有限元模型墙体和穹顶结构上，每隔45°分别拾取结构的竖向切面上若干目标点，提取其位移和应力计算结果，如图11所示。

图11 墙体和穹顶上的目标点分布图

在仿真分析过程中，设置载荷加载步长∆t=0.05s，提取每个时刻储罐墙体和穹顶部位的最大应力和位移数据，绘制时程曲线图表如图12、图13所示：

图12 墙体和穹顶部位最大移位曲线图

图13 墙体和穹顶部位最大应力曲线图

通过上图可看出，在爆炸时间t=0.08s时，最大位移变形发生在墙体位置，约1.53mm；在t=0.075s时，最大应力发生在穹顶位置，约0.76MPa，远低于C50混凝土强度设计值。因此可以看出，等效爆炸载荷对储罐结构安全性影响较小，并非控制工况。

4 结论

（1）研究了储罐在爆炸载荷作用下的动力反应控制方程，确定了等效爆炸荷载的合理表达式。

（2）建立了160000m3储罐精细化有限元模型，确定了合理的单元类型、边界条件以及材料参数，能够精确反映储罐在等效爆炸载荷作用下的响应特性。

（3）确定了穹顶和墙体结构上分布式目标点，分别提取位移和应力结果，分析爆炸不同时刻的位移和应变规律。结果表明：等效爆炸载荷对储罐结构安全性影响较小，并非控制工况。