大型LNG全容罐抗飞行物冲击分析验算

中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

液化天然气(LNG)全容罐储存的是易燃、易爆介质,一旦遭受外来飞行物的撞击将可能导致全容罐破坏、LNG液体外泄和燃烧,从而导致灾难性事故的发生。因此,分析研究LNG预应力混凝土全容罐抗飞行物冲击的能力是全容罐设计计算的重要内容,也是提高全容罐系统安全性和可靠性的关键。

冲击过程是一个较为复杂的非线性动态响应过程,根据受外来物冲击载荷的大小,结构可能处于弹性阶段、超越弹性阶段进入塑性流动状态、甚至出现撕裂或屈曲等各类形式的破坏或失效。欧洲规范[1-3]也明确要求在LNG预应力混凝土全容罐设计时应当考虑飞行物对全容罐穹顶的冲击作用,要求混凝土外罐能够承受由于外部爆炸引起的飞行物对全容罐的撞击。

结构抗外来物冲击作用的动态响应难以用传统理论进行分析计算,只能采用以计算机技术为基础的有限元分析方法开展冲击动力学响应分析计算,如MSC.DYTRAN、LS-DYNA等有限元分析软件,以动态非线性有限元基本理论和接触算法为基础,分析结果能够满足工程要求[4-9]。

通过对20×104m3LNG大型预应力混凝土全容罐穹顶在阀门冲击作用下的结构响应分析计算,定性、定量分析冲击作用可能产生的破坏能力,据此验证全容罐穹顶抗冲击的能力和所采取的防冲击措施,为大型LNG预应力混凝土全容罐安全性及可靠性的分析计算提供依据。

1 抗飞行物冲击分析

1.1 冲击的破坏形式

根据现有文献的研究成果[10-14],刚性飞行物冲击混凝土构件可能引起侵彻破坏或爆裂破坏、痂斑破坏、穿透破坏、冲切破坏这四种形式的破坏,见图1。

图1 飞行物冲击破坏形式局部示意图

在大型LNG预应力混凝土全容罐结构设计时,侵彻破坏或爆裂破坏属于可接受的破坏形式,痂斑破坏、穿透破坏和冲切破坏均属于不可接受的破坏形式,需要外罐罐壁具备足够的防冲击破坏的强度和刚度。

1.2 防冲击验算方法

由于冲击作用是一个非线性问题,计算分析非常复杂,单靠传统的经验公式难以准确计算冲击作用过程中的应力应变关系。根据现有文献资料和研究成果[15],罐壁穹顶的防冲击验算可按照以下方法进行:

1)侵彻破坏或爆裂破坏的深度可采用侵彻深度的经验公式[15]进行计算,要求侵彻深度不低于外罐壁混凝土层的厚度。

2)痂斑破坏的临界厚度可采用Bechtel公式[15]计算,要求外罐壁混凝土层的壁厚不低于计算破坏临界厚度的1.2倍[10]。

3)穿透破坏的临界厚度可采用CEA-EDF公式[15]计算,要求外罐壁混凝土层的壁厚不低于穿透破坏计算的临界厚度。

4)防冲切破坏的验算则可根据现有标准[3,16]的静力计算公式进行抗冲切承载力计算。

1.3 冲击过程局部模型简化

飞行物撞击储罐问题属于高速冲击动力学范畴[17],通常需要根据实际情况对飞行物冲击罐体模型进行一定程度简化:飞行物考虑为刚体;冲击时是否考虑重力的影响;冲击时是否考虑内能和动能的变化,是否考虑热能的损失;是否考虑飞行物与罐壁之间的摩擦;是否考虑飞行物与罐壁之间的阻尼。

李金光、张云峰、苏娟等人[18-20]都先后对16×104m3、5×104m3大型LNG预应力混凝土全容罐外罐的抗外来飞行物冲击作用进行了验算。苏娟等人[20]则同时考虑了空罐和满罐两种工况,对LNG混凝土全容罐的有限元分析建模、边界条件约束处理等作了分析与探讨,并进行了冲击荷载作用下LNG全容罐混凝土外罐的动态响应分析,得到了全容罐各控制点的内力随时间变化的曲线。

2 飞行物冲击数值模拟计算

2.1 结构建模

本节采用LUSAS软件对20×104m3LNG预应力混凝土全容罐穹顶结构在阀门冲击状态下进行变形分析和应力分析。考虑到阀门冲击对墙体和底部的影响很小,模型只建立穹顶结构。对阀门施加初始速度,采用非线性控制。模型主要分为穹顶几何模型、阀门几何模型两个部分。穹顶模型采用厚壳单元。由于阀门与穹顶的接触面很小,所以对穹顶与阀门接触的部分进行网格细化,冲击分析中不考虑质量和刚度瑞利阻尼,不考虑热能损失。穹顶和阀门的材料属性见表1。

表1穹顶和阀门的材料属性

项目穹顶阀门杨氏模量/MPa29 900195 000泊松比0.20.3质量密度/(g·cm-3)2.57.93质量瑞利阻尼系数0.04-刚度瑞利阻尼系数0.05-

2.2 控制条件

本模型只考虑自重及阀门冲击荷载,自重荷载模型见图2。模型中假设阀门的直径为0.3 m,质量为200 kg,冲击速度为25 m/s,与穹顶的作用面积约为3 000 cm2。

图2 自重荷载示意图

在阀门动态荷载与穹顶接触时,需要通过滑移线进行接触设置:

1)主/从属性的刚度是控制两滑移线间相互渗透的量,采用隐式求解时设置为1.0。

2)库仑摩擦系数仅适用于摩擦滑移线。

3)区间接触检测是控制接触检测的范围,采用隐式求解时采用10/9。

4)滑移延伸是滑移延伸参数,滑移延伸是对滑移线块超越出初始定义时的一种延续。这种延伸可以减少对带明显奇异性的滑移线的相互渗透。采取默认值0.0。

5)闭合接触检测参数用以校核一个节点是否有可能接触滑移线,见图3。所采用的面容差是由检测参数和面分块的长度的乘积得到的,其中面分块指的是有可能发生节点渗透的分块。如面之间的距离小于面容差,则将在接触前在相应的点处引入一个弹簧结构。默认情况下,弹簧的刚度取为面刚度的1/1 000。对穹顶的四周施加xyz方向固定约束。

图3 接触滑移线设置示意图

本次分析属于在冲击荷载作用下的动态响应分析,计算求解需要非线性进行控制。动态求解采用隐式动力学进行求解,求解的时间步长为0.008 s,即每隔0.008 s输出一个结果。最大时间步数或增量数设置为10,即共输出10个工况。

2.3 计算结果

通过对10个工况的应力结果查看发现,在时间为0.018 s时,穹顶受到的应力最大为4.02 MPa,见图4。在时间为0.028 s时,位移最大值为3.225 25 mm,其中包括穹顶自重产生的位移,见图5。

图4 飞行物冲击罐壁底部的应力扩散示意图

图5 飞行物冲击罐壁底部的位移扩散示意图

3 规范验算

由于冲击作用是一个非线性问题,计算分析非常复杂。因此,根据规范和已有的文献资料,结合数值分析计算结果,对罐壁穹顶进行防冲击验算。

对穹顶混凝土在冲击荷载作用下的规范验算是在边长为600 mm的正方形区域内进行,穹顶混凝土的厚度为400 mm,上层钢筋覆盖厚度为55 mm,钢筋直径均为14 mm,第一层钢筋间距为100 mm,第二层钢筋间距为300 mm。下层钢筋覆盖层厚度为50 mm,粗钢筋直径为16 mm,钢筋间距为100 mm;细钢筋直径为12 mm,钢筋间距为300 mm。穹顶受到的最大应力为4.02 MPa,阀门与穹顶接触的面积为 568 mm×522 mm=296 496 mm2,所以穹顶与阀门接触的区域内承受的最大荷载VEd=1 191.91 kN。

C 35/45的混凝土fck=35 Mpa,受拉区钢筋合力到下边缘距离d′和受拉区钢筋合力到上边缘距离D计算如下：

(1)

D=400-59.3=340.7 mm

(2)

下部受拉区的钢筋面积

As=3π×62×2+π×82×2=1 080.16mm2

(3)

式中:fck为混凝土抗压强度设计值,MPa;d′为受拉区钢筋合力到下边缘距离,mm;D为受拉区钢筋合力到上边缘距离,mm;As为下部受拉区的钢筋面积,mm2;As,1为下部受拉区的细钢筋面积，mm2;As,2为下部受拉区的粗钢筋面积，mm2;h1为下部受拉区的细钢筋到下边缘距离，50 mm;h2为下部受拉区的粗钢筋到下边缘距离，75 mm。

3.1 侵彻深度计算

根据文献[15]侵彻深度计算结果如下:

(4)

(5)

3.2 痂斑破坏计算

痂斑破坏厚度临界值根据Bechtel公式[15]计算如下:

(6)

式中:ts为痂斑破坏厚度临界值,m。

3.3 穿透破坏计算

穿透破坏可采用CEA-EDF公式[15]计算穿透破坏厚度临界值,计算结果如下:

(7)

式中:tp为穿透破坏厚度临界值,m;ρc为混凝土密度,取值2 500 kg/m3。

3.4 冲切破坏计算

防冲切破坏的验算可根据现有标准[3]的静力计算公式进行抗冲切承载力计算。

3.4.1 沿柱边的最大抗冲切力计算

VRd,max=0.5uDvfcd

=0.5×(4×600)×340.7×0.516×23.33

=4 921.730kN>1 191.91kN

(8)

3.4.2 控制周长为2d截面的冲切应力计算

VRd,c=CRd,ck(100ρlfck)1/3+k1σcp

=0.562 2N/mm2

(9)

3.5 验算结果

按1.2节要求对侵彻破坏或爆裂破坏、痂斑破坏、穿透破坏和抗冲击破坏进行综合验算,结果见表2。经过验算可知,不会产生穿透破坏和冲切破坏,此外罐穹顶还有内衬钢板起到保护作用,故罐顶结构安全。

表2验算结果表

项目阀门质量/kg阀门速度/(m·s-1)侵砌厚度x/m痂斑破坏厚度ts/m穿透破坏厚度tp/m混凝土抗冲切力VRd,max/kN内衬钢板抗冲切应力VRd,c/(N·mm-2)计算值200250.066 4030.348 9520.131 9644 921.7300.562 2校验值--<0.4ts<0.41.2tp<0.4VRd,max>VEd=1 191.91VRd,c>vEd=0.541 5验算结果--合格合格合格结构安全结构安全

4 结论

通过对20×104m3大型LNG预应力混凝土全容罐罐顶遭受阀门冲击作用的有限元模拟分析得出,在受到直径为300 mm、质量为200 kg的阀门以25 m/s的速度垂直冲击罐顶时,罐顶受到的最大应力为4.02 MPa,最大位移为3.225 25 mm。根据规范要求和相关文献研究成果结合数值分析计算结果进行验算,通过验算结果表明在阀门意外冲击荷载作用下20×104m3大型LNG预应力混凝土全容罐罐顶不会发生侵砌破坏、痂斑破坏、穿透破坏和抗冲击破坏,穹顶结构安全可靠。