大型外浮頂立式儲(chǔ)液罐地震反應(yīng)分析

石油和天然氣公司的主要儲(chǔ)油罐大多采用外浮屋頂?shù)男螤?，安全合理地設(shè)計(jì)大型垂直儲(chǔ)液罐的抗彎設(shè)計(jì)。這一直是國(guó)內(nèi)外科學(xué)家關(guān)注的問(wèn)題。到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)大型外浮屋頂儲(chǔ)油罐的地震資料進(jìn)行了深入研究，并對(duì)其進(jìn)行了充分的理論研究、計(jì)算和分析，特別是由于液固耦合振動(dòng)的困難和計(jì)算手段的缺乏，大部分研究都是對(duì)開(kāi)瓶液罐進(jìn)行的，忽視了對(duì)開(kāi)瓶液體的影響。事實(shí)上，外浮屋頂可以減少液體的流動(dòng)。隨著計(jì)算機(jī)和金元軟件的發(fā)展，利用大型通用開(kāi)元分析軟件對(duì)大型儲(chǔ)液罐的地震反應(yīng)進(jìn)行了分析。考慮到外部浮屋頂?shù)挠绊?，本文首先建立了一種適用于該模型的垂直儲(chǔ)液罐元音模型。該模型的可靠性得到了改進(jìn)。在分析不同形狀的浮頂（平浮頂、正錐形和反錐形）下的大型儲(chǔ)存罐和開(kāi)放式氣罐的地震反應(yīng)時(shí)，不同形式的浮頂對(duì)存儲(chǔ)罐的地震反應(yīng)的影響，并確定最合適的浮頂形式。1罐體模型的建立根據(jù)薄壁罐的特點(diǎn),選擇具有四個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度的SHELL181單元建立罐壁模型,在動(dòng)力荷載下,允許單元的橫向剪切變形,允許單元伸展,因而厚度設(shè)置為固定的單元參數(shù);罐內(nèi)液體采用基于Housner模型簡(jiǎn)化的三維液體單元FLUID80,此單元適合于容器液體、無(wú)凈流速的液體模型分析,以及有關(guān)靜水壓力計(jì)算、固-液耦合計(jì)算和加速度效應(yīng)等;基礎(chǔ)采用SOLID45單元,該單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力剛化、大變形、大應(yīng)變的特性;浮頂由于其厚度相對(duì)較小,也采用SOLID45實(shí)體單元模擬;灌頂抗風(fēng)圈采用BEAM4單元,該單元可用于計(jì)算應(yīng)力硬化及大變形問(wèn)題.此模型建立的關(guān)鍵是應(yīng)用接觸單元和目標(biāo)單元來(lái)模擬移動(dòng)邊界的非線(xiàn)性,以此實(shí)現(xiàn)了液體的大幅晃動(dòng)、罐底提離和浮頂與液面隨動(dòng),采用的單元是與以上罐體單元相匹配的CONTA173單元和TARGE170單元.狀態(tài)非線(xiàn)性分析的關(guān)鍵在于罐體與液體接觸面之間設(shè)置接觸對(duì),罐底與基礎(chǔ)之間設(shè)置接觸對(duì),且在液體上表面與浮頂下表面設(shè)置接觸對(duì).所建的模型以容積為10000m3外浮頂儲(chǔ)液罐為原型,ANSYS模型罐尺寸參考實(shí)際罐規(guī)格.罐體直徑為30.4m,罐高14.27m,罐內(nèi)液體高度12m.罐壁采取變厚度,這是由于儲(chǔ)罐的罐壁承受儲(chǔ)液的靜壓,此靜壓是按三角形分布,由上至下逐漸增大,故罐壁厚度由上至下逐漸增厚.0～1.5m為18mm,1.5～3.0m為17mm,3.0～4.5m為15mm,4.5～6.0m為13mm,6.0～7.5m為11mm,7.5～9.0m為10mm,9.0～10.5m為8mm,10.5m-14.3m為7mm,罐底厚度為8mm.浮頂浮船外徑比儲(chǔ)罐內(nèi)徑小500mm,即為29.9m,平浮頂厚度取600mm.罐壁材料采用490MPa級(jí)的高強(qiáng)度鋼材,考慮材料的非線(xiàn)性,采用雙線(xiàn)性隨動(dòng)強(qiáng)化模型,彈性模量為2.06×1011N/m2,屈服強(qiáng)度為4.9×108N/m2,切線(xiàn)模量為2.06×109N/m2.浮頂彈性模量為2.06×1011N/m2,密度近似采用實(shí)際重量與體積之比為1×102kg/m3.基礎(chǔ)高度為1m,直徑為60m,考慮基礎(chǔ)的壓縮性,采用彈性模量為1.8×109N/m2.罐內(nèi)液體采用原油,密度為(0.7～1)×103kg/m3,取1×103kg/m3,彈性模量3×109N/m2,粘滯系數(shù)為0.00113Ns/m.整個(gè)模型網(wǎng)格劃分采用映射網(wǎng)格劃分,在網(wǎng)格劃分時(shí)力求罐壁網(wǎng)格與罐內(nèi)液體網(wǎng)格劃分結(jié)點(diǎn)一致,罐底結(jié)點(diǎn)與基礎(chǔ)結(jié)點(diǎn)一致,浮頂結(jié)點(diǎn)與罐內(nèi)液體結(jié)點(diǎn)一致.外覆頂立式儲(chǔ)液罐有限元模型見(jiàn)圖1,接觸單元模型見(jiàn)圖2.2垂直儲(chǔ)液罐地震反應(yīng)分析地震動(dòng)采用水平單向ELCENTRO波,加速度最大峰值為0.1g,出現(xiàn)在2.14s,持續(xù)時(shí)間12s,時(shí)間步長(zhǎng)t為0.02s.2.1罐底液體支撐應(yīng)力場(chǎng)由儲(chǔ)液罐震害可知,儲(chǔ)液罐震害大部分是罐壁底部損壞;一部分儲(chǔ)液罐發(fā)生罐頂破壞,而且明顯地看出儲(chǔ)液溢出,這都說(shuō)明了地震時(shí)儲(chǔ)液晃動(dòng).計(jì)算所得與罐壁毗鄰左右結(jié)點(diǎn)的液體高度變化時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖3,從圖中可以看出,液面晃動(dòng)最大高度為17.3cm,液面晃動(dòng)是以長(zhǎng)周期波動(dòng)為主.計(jì)算所得罐底側(cè)壁左右結(jié)點(diǎn)的豎向壓應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖4,罐底左右結(jié)點(diǎn)豎向壓應(yīng)力峰值為11.8MPa.計(jì)算所得罐底左右結(jié)點(diǎn)的豎向位移時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖5,罐底左右結(jié)點(diǎn)豎向位移峰值為5.6mm.顯然罐底產(chǎn)生了提離.2.2浮頂對(duì)儲(chǔ)液擺動(dòng)的影響常規(guī)采用的平浮頂是指浮頂?shù)酌媸瞧矫娴母№?計(jì)算所得平浮頂儲(chǔ)液罐與罐壁毗鄰左右結(jié)點(diǎn)的液體高度變化時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖6,從圖中可以看出,液面晃動(dòng)最大高度為16.1cm,與敞口罐相比液面晃動(dòng)幅度減小了1.2cm,顯然,平浮頂起到了減小液面晃動(dòng)的作用.液面晃動(dòng)仍是以長(zhǎng)周期波動(dòng)為主.計(jì)算所得罐底左右結(jié)點(diǎn)的豎向壓應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖7,可以看出,罐底左右結(jié)點(diǎn)豎向壓應(yīng)力峰值為11.49MPa,與敞口罐相比略有減小.計(jì)算所得罐底左右結(jié)點(diǎn)的豎向位移時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖8,可以看出,罐底左右結(jié)點(diǎn)豎向提離峰值為6.5mm,比敞口罐罐底提離略有增加,這是由于浮頂?shù)馁|(zhì)量增大了儲(chǔ)液晃動(dòng)時(shí)的傾覆力矩.雖然平浮頂使液面晃動(dòng)降低,但是增大了罐底提離高度,顯然利弊共存.因此,外浮頂?shù)挠绊懖豢珊鲆?2.3浮頂類(lèi)型對(duì)儲(chǔ)液罐的地震響應(yīng)影響為了消除平浮頂帶來(lái)的不利因素,通過(guò)改變浮頂形狀來(lái)達(dá)到目的.以倒錐和正錐的外浮頂形式舉例說(shuō)明,倒錐和正錐的外浮頂是指浮頂?shù)酌鏋榈瑰F和正錐形的浮頂,其截面示意圖分別如圖9,圖10所示.倒錐型浮頂高H=800mm,矢高h(yuǎn)分別考慮取200,400,600mm,正錐形浮頂高H=800mm,矢高h(yuǎn)取200mm.通過(guò)地震反應(yīng)計(jì)算得到與罐壁毗鄰左右液面結(jié)點(diǎn)豎向位移曲線(xiàn)、罐底左右結(jié)點(diǎn)豎向壓應(yīng)力和罐底豎向提離曲線(xiàn)與平浮頂儲(chǔ)液罐時(shí)得出的曲線(xiàn)形狀基本相同,表1～3給出倒錐浮頂、正錐浮頂和無(wú)浮頂、平浮頂罐的三項(xiàng)指標(biāo)峰值.由計(jì)算結(jié)果可知,平浮頂?shù)拇嬖谑沟靡后w晃動(dòng)最大高度、罐底側(cè)壁最大壓應(yīng)力都有明顯降低,罐底的提離略有增加,可見(jiàn)平浮頂使得儲(chǔ)液罐的地震反應(yīng)得到一定的降低.采用正錐形浮頂和倒錐形浮頂(h=200mm,400mm)得到的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和平浮頂結(jié)果并無(wú)太大變化,但倒錐形浮頂(h=600mm)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明液面晃動(dòng)幅度較平浮頂有較大減小,而罐底側(cè)壁豎向壓應(yīng)力有所增加,罐底提離明顯增加,由此可見(jiàn)當(dāng)?shù)瑰F形浮頂矢高較大時(shí),伴隨著液面晃動(dòng)明顯減輕,罐底提離卻大幅提高.比較分析表明平浮頂為最優(yōu)浮頂形式.3外浮頂形式的影響1)地