LNG储罐外罐壁在冲击荷载作用下的受力分析

张云峰， 张 钊， 薛景宏， 计 静

( 1. 东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318; 2. 东北石油大学 黑龙江省防灾减灾及防护工程重点实验室,黑龙江 大庆 163318 )

液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)储罐对增强供气稳定性，提高供气灵活性，特别是对燃气电厂等重要用气部门及设施安全运行提供有力的保障具有不可替代的重要作用[1-3].目前世界各地LNG储罐日趋增多.它的安全性也是人们关注的问题，现在我国还没有设计规范[4-5]，笔者主要研究全容式预应力混凝土储罐在冲击荷载作用下的受力特性，为我国的预应力LNG储罐的设计和施工提供依据.

1 基本参数

以上海某LNG事故备用站的一座LNG储罐为研究对象.该储罐属于地上式全容罐，要求在-160 ℃的低温储存LNG，可承受230 MPa气压.外罐混凝土强度采用C45.储罐尺寸参数、结构见文献[6].

2 有限元模型建立

由于冲击与爆炸属于高度非线性动力学问题，冲击过程中荷载与结构受力瞬息万变，建立准确的有限元模型困难，因此作基本假设[7]：(1)冲击物为刚体；(2)冲击时只有动能和内能的变化，无热能的损失；(3)冲击时不考虑重力的影响；(4)忽略冲击物与被冲击物之间的摩擦；(5)忽略冲击物与被冲击物之间的阻尼.

储罐的基础与罐壁、穹顶与罐壁采用固定连接，在罐壁计算模型的交接处加固定约束.混凝土本构关系模型选用Johnson-Halmquist-Concrete混凝土模型.该混凝土模型是一种专门针对混凝土受冲击载荷作用而开发的动态材料模型，考虑其应变、高应变率和高压情况，同时结合损伤理论考虑材料的拉伸脆断行为[8-10].利用ANSYS/LS-DYNA建立有限元模型，混凝土和撞击质量块采用实体建模，选取SOLID164[11]单元，预应力钢筋采用LINK167[12]单元，普通钢筋采用整体模型，即将其和混凝土看成均匀连续的整体.建立储罐和质量块有限元模型(见图1和图2).

3 模型验证

根据文献[7]折线梁的尺寸，利用ANSYS/LS-DYNA软件建立有限元模型，并计算在冲击荷载作用下的速度，同时采用解析法求解折线梁在冲击点的速度，将两者进行比较，验证文中有限元模型的准确性.

图1 LNG储罐预应力外罐有限元模型

图2 质量块的有限元模型

理论计算冲击达到共同速度时v1=1.55 m/s，ANSYS/LS-DYNA软件所求得的共同速度为1.53 m/s，与解析解的误差为1.3%，证明文中有限元模型的准确性.

4 有限元分析

表1 LNG预应力混凝土外罐罐壁碰撞工况

根据破坏的可能性，选取9种工况对储罐进行分析，见表1.利用LS-DYNA软件的显式求解功能求解外罐受撞击情况下的应力变化，检验外罐的安全性，分析最不利的碰撞情况，为进一步研究和设计提供依据.

单位体积质量块以3种速度撞击储罐中、下部产生的应力分布趋势相同，大小有差异，因此以50 m/s时的应力表示(见图3-5)，而单位体积质量块以70 m/s撞击储罐上部时与其他2种速度下应力分布趋势略有不同，见图6.

由图3可以看出，单位体积质量块以速度50 m/s撞击储罐上部时，应力从0 ms处迅速增加，在0.2 ms左右达到峰值；随后下降，在0.5 ms左右有所反弹；然后逐渐下降，在2.0 ms时趋于平稳.

图3 单位体积质量块以50 m/s速度撞击储罐上部应力变化曲线

图4 单位体积质量块以50 m/s速度撞击储罐中部应力变化曲线

图5 单位体积质量块以50 m/s速度撞击储罐下部应力变化曲线

图6 单位体积质量块以70 m/s速度撞击储罐上部应力变化曲线

由图4可以看出，单位体积质量块以50 m/s速度撞击储罐中部时，应力从0 ms处迅速增加，在0.2 ms左右达到峰值；随后下降，在0.3 ms左右出现波动，然后逐渐下降，在2.0 ms时平稳下降.

由图5可以看出，单位体积质量块以50 m/s 速度撞击储罐下部时，从0 ms处迅速增加，在0.2 ms左右达到峰值；随后快速下降到0.3 ms左右，然后逐渐平稳下降，可见从达到最大应力到趋于平稳的时间很短.

由图6可以看出，单位体积质量块以70 m/s撞击储罐上部时，除了在6.4 ms左右出现1个峰值外，与以速度50 m/s撞击储罐上部时应力变化趋势基本相同.

根据9种工况所产生的最大应力，得出9种工况条件下LNG储罐最大应力(见图7).由图7可以看出，储罐罐壁的应力随着撞击高度的降低而降低，质量块的速度越大，撞击时的应力越大，但在储罐中部60 m/s和50 m/s的应力基本相同.因此当质量块质量一定，速度大的质量块对LNG储罐的影响较大，在储罐上部应力较大，因此可以在储罐上部增加壁厚、混凝土强度、钢筋的等级和数量等，以避免发生大的破坏[13-14].

选一最不利的位置沿厚度分析破坏程度.质量块以70 m/s的速度撞击LNG储罐罐壁上部时，产生的应力最大，沿厚度方向剖面的应力分布见图8(时间为0.2 ms，在单元1 204处，最小应力为22.111 4 Pa；在单元308处，最大应力为0.122 416 GPa).

图7 9种工况下LNG储罐最大应力

图8 工况7储罐罐壁应力最大时沿厚度方向的应力分布

文中建立的模型是沿壁厚方向划分2个单元，罐壁上部撞击点沿厚度方向的单元外侧为285，内侧为281.在工况8条件下，其应力随时间的变化曲线见图9和图10.

由图9和图10可以看出，质量块撞击罐口的应力波快速向内部扩散，在撞击后0.2 ms时外侧285单元应力达到最大，为122.0 MPa；在撞击后0.45 ms时，内侧281单元应力达到最大，为19 MPa.最大应力主要集中在外壁尖角处和内壁与穹顶转折处.因此，建议在设计建造中，应加强这部分混凝土强度，增加厚度，避免严重破坏.

图9 285号单元应力随时间变化曲线

图10 281号单元应力随时间变化曲线

撞击点外壁外侧285单元最大应力大于动态抗压强度，内侧的281单元未达到动态抗压强度，因此，在质量块撞击LNG储罐罐壁上部时，外侧混凝土失效，而内侧混凝土安全.LNG储罐在此种工况下罐体能够基本保持完整[16].

5 结论

(1) 在质量块的质量和速度一定的情况下，质量块撞击储罐罐壁不同位置时，其应力在上部最大；在质量一定，速度不同的情况下，质量块以速度为70 m/s撞击储罐时，对LNG储罐罐壁的影响最大，随着时间的增加应力扩散的范围逐渐增加.

(2)撞击点在罐壁上部的工况中，工况7条件下储罐应力最大，罐体表面混凝土失效，但内部混凝土并未发生破坏.

(3) 冲击荷载只会影响到储罐撞击点局部应力的变化，产生高应力、大应变，对其他部分基本不会产生影响.