爆炸载荷作用下大型原油储罐动力响应分析

朱立富，阎善郁，潘科



爆炸载荷作用下大型原油储罐动力响应分析

朱立富1，阎善郁2，潘科2

(1.大连交通大学 环境与化学工程学院,辽宁 大连 116028； 2.大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)

采用ANSYS/LS-DYNA实现了碎片撞击储罐的有限元模拟，建立了储罐响应的动力学模型，分析了储罐响应的主要因素.在模拟中，依次改变碎片质量、撞击速度、撞击接触面积、撞击入射角度，讨论各因素对储罐动力响应的影响.结果表明，碎片质量、撞击速度、撞击入射角度与储罐稳定性正相关，而撞击接触面积与之负相关.本研究创新性的提出通过改变储罐壁材料或厚度的方法，来减少碎片撞击储罐的动力响应.对爆炸载荷作用下的大型原油储罐失效预防具重大的意义.

爆炸载荷；动力响应；数值模拟；失效预防

0 引言

近年来，国内原油需求量逐年增加，储罐及储备库的大型化集约化发展，虽然给国家原油储备提供了便利，但也带来了一些灾难性事故隐患.据统计全球范围内平均每年发生的储罐火灾爆炸事故约有 4～5起[1].其中，爆炸碎片引发的连锁破坏是较为普遍的，且事故往往会造成非常严重的后果.碎片撞击周围的工艺设施、设备，使更多的能量意外释放，加大事故后果严重性，爆炸载荷的冲击使周围设备设施的材料发生弹塑性变形，需要使用弹塑性相关理论对撞击过程进行动力学响应分析[2].Park[3]等人研究了具有初动能的刚性铁块撞击悬臂梁的动力响应.Hauptmanns[4- 5]预测了碎片抛射方位及各方位概率，继而求取了周围某一储罐被碎片水平击中的概率；Nguyen[6]认为当碎片撞击储罐的撞击深度达到储罐壁的厚度，或者撞击后产生的残余壁厚小于储罐壁材料支撑所需厚度的临界值时就会导致储罐破坏泄漏事故.临界残余壁厚的求解涉及到复杂的局部应力分析，因而求解也具有一定困难.Mébarki[7- 8]建立了根据碎片质量、速度、碎片的撞击面积直径和撞击角度求解撞击深度的计算公式，为进一步建立碎片撞击储罐的破坏模型奠定了基础.陈刚[9]考虑碎片初始的抛射高度和水平抛射位移对碎片撞击储罐的击中概率的影响.本文采用ANSYS/LS-DYNA实现了碎片撞击储罐的有限元模拟，建立了储罐响应的动力学模型，分析了储罐响应的主要因素.

1 碰撞模型

ANSYS/LS-DYNA处理爆炸撞击的算法遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒方程[9]：

(1)屈服准则[10]

对于储罐的材料，采用Von-Mises屈服准则，即当应力偏量第二不变量J2满足下式时，材料发生屈服：

(1)

(2)材料的破坏[11]

材料的破坏准则主要考虑瞬时破坏准则和累积损伤准则.瞬时破坏准则是以静水压力和材料密度的断裂临界值ps、 ρs为基础的，即当p≤ps,ρ≤ρs时，网格中的材料瞬时发生破坏，置p=0,Sij=0.材料破坏后，计算网格中的任何剪切应力和静水压力均置为零，密度不低于ρs.

2 模型模拟

在具体模拟过程中，采用ALE列式算法进行模拟分析.根据大型储罐的储罐壁的厚度较内径可以视为板材的特点，本文储罐壁的单元选用THINSHELL163 即薄壳单元.通过实参数定义薄壁厚度，为0.15 m.碎片的结构简化为立方体，使用三维实体单元SOLID164.碎片来源于储罐，所以储罐和碎片的模型参数一致.本文研究的钢材其弹性模量为2.06×1011Pa、密度为7 850 kg/m3、柏松比为0.3、屈服强度为3.25×108Pa和切线模量2.06×109Pa；原油的密度为998 kg/m3、压力截止值-10 Pa、动力粘性系数为1.01×10-3、其余参数为0.

根据Lepareux和Neilson的实验[11]以及本文研究的储罐特点，确定本文研究模型基本参数入射角α：30°～70°；碎片质量mp：250～700 kg；撞击接触面积：0.01～0.05 m2；撞击速度νp：40～120 m/s.

图1 有限元模拟流程图

模拟过程如图1所示，首先建立工作目录和设置工作名称，然后进行单元类型选择，对单元进行材料参数定义，也可在生成的K文件中进行修改.分别建立储罐、碎片、原油几何模型，然后对模型进行网格划分，施加约束.定义求解时间，本文定义求解时间为25 ms.也可通过指定的节点或刚性体位移达到某一特定的位置，即当碎片X轴向距离达到15 cm时，求解结束.适用于LS-DYNA输出的文件为二进制结果文件d3polt，可以通过lsprepost后处理软件读取d3plot文件，显示模拟结果.

通过LS-DYNA求解器软件LS-PREPOST可以显示出模拟结果.图2为碎片撞击储罐的过程图V-M等效应力云图.图3(a)为碎片撞击过程中结构的X轴方向位移云图，从图中我们可以看出不同单元在某一时刻的位移变化，在0.015 003这一时刻，最大位移为0.117 519 m，发生在16 376#；图3(b)为碎片撞击过程中结构的X轴方向加速度云图，从图中我们可以看出不同单元在某一时刻的加速度的变化,在0.000 994 95这一时刻，最大加速度736 947 m/s2，发生在125 434#(该单元属于碎片)，图中颜色的变化说明了应力、位移、加速度等参数随时间的变化而变化.

(a)位移云图

(b)加速度云图

3 讨论

3.1 撞击速度的影响分析

改变碎片撞击速度讨论撞击速度对整个过程的影响，模拟中分别以120、110、100、90、80、70、60、50、40 m/s的速度撞击储罐，响应结果见图4所示.

图4 碎片速度对X轴向位移及加速度最大值的影响

图4为在不同碎片速度撞击下的X轴向位移、X轴向加速度最大值曲线.储罐的X轴向位移、X轴向速度最大值随碎片撞击速度的增加而增加，且幅度很大，说明初始撞击速度对撞击效果影响很大.当撞击速度大于110 m/s时，储罐将被碎片击破，进而储罐失效.随着初始撞击速度的增大，碎片的动能越大，且撞击罐体的过程中所受的罐体的抗力减小，其消耗的能量也越来越少.从图中可以看出，撞击速度越大，X轴向加速度最大值越大，表明那一时刻运动变化越大，破坏作用也越大，对储罐造成的损害就越大.总之，碎片撞击速度与储罐动力响应成正相关，撞击速度越大，对储罐造成的影响越大.

3.2 碎片接触面积的影响

改变碎片与罐体撞击时的接触面积，讨论接触面积对整个过程的影响.模拟中碎片撞击储罐的接触面积分别为0.01、0.015、0.02、0.025、0.03、0.035、0.04、0.045、0.05 m2，响应结果见图5所示.

图5 接触面积对X轴向位移及加速度最大值的影响

图5为在不同接触面积撞击下的X轴向位移和X轴向加速度最大值曲线.储罐的X轴向位移和X轴向加速度最大值随撞击接触面积的增加而减小，且幅度很大，说明接触面积对撞击效果影响很大.当接触面积小于0.015 m2时，储罐将被碎片击破，进而储罐失效.随着接触面积的增大，碎片撞击过程中消耗的能量也就越大，撞击罐体的过程中所受的罐体的抗力变大，X轴向位移就会变小.图5说明，接触面积越大，X 轴向加速度最大值越小，表明那一时刻运动变化越小，破坏作用也越小，对储罐造成的损害就越小.总之，撞击接触面积与储罐动力响应成负相关，接触面积越小，对储罐造成的影响越大.

3.3 碎片质量的影响

通过改变碎片质量，讨论碎片质量对整个过程的影响，模拟中分别以质量为250、300、350、400、450、500、550、600、650、700 kg的碎片撞击储罐，碎片的质量可以可以在lsprepost中的绘图控制区选中MAT的PLASTIC_KINEMATIC对碎片质量进行修改响应结果见图6所示.

图6 碎片质量对X轴向位移及加速度最大值的影响

图6为不同质量的碎片撞击下的X轴向位移和X轴向加速度最大值曲线.储罐的X轴向位移和X轴向加速度最大值随碎片质量的增加而增加，且幅度很大，说明碎片质量对撞击效果影响很大.当碎片质量大于650 kg时，储罐将被碎片击破，进而储罐失效.随着碎片质量的增大，碎片的动能越大，且撞击罐体的过程中所受的罐体的抗力减小，其消耗的能量也越来越少.图6说明，碎片质量越大，X轴向加速度最大值越大，表明那一时刻运动变化越大，破坏作用也越大，对储罐造成的损害就越大.总之，碎片质量与储罐动力响应成正相关，碎片质量越大，对储罐造成的影响越大.

3.4 碎片撞击角度的影响

改变入射角度，讨论撞击速度对整个过程的影响.模拟中，碎片在X-Z平面内分别以与X轴方向成30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°的方向撞击储罐.响应结果见图7所示.

图7 撞击角度对X轴向位移及加速度最大值的影响

图7为不同质量的入射角度撞击下的X轴向位移和X轴向加速度最大值曲线.储罐的X轴向位移和X轴向加速度最大值随入射角度的增加而增加，且幅度很大，说明入射角度对撞击效果影响很大.当入射角度大于65°时，储罐将被碎片击破，进而储罐失效.随着入射角度的增大，碎片的X轴方向的分动能越大，且撞击罐体的过程中所受的罐体的抗力减小，其消耗的能量也越来越少.图7说明，入射角度越大，X轴向加速度最大值越大，表明那一时刻运动变化越大，破坏作用也越大，对储罐造成的损害就越大.总之，碎片入射角度与储罐动力响应成正相关，入射角度越大，对储罐造成的影响越大.

4 失效安全防护

从讨论部分分析储罐动力响应影响因素的结果，我们得出了碎片质量和碎片的撞击速度越大，将导致储罐更容易失效.可以考虑增加安全防护距离、改变储罐罐壁、增加壁厚的方向进行分析.

4.1 选址与布置

罐区的厂址选择与布置应符合《石油化工企业设计防火规范》所规定的区域规划与工厂总平面布置、储运设施、消防等的防火要求.

(1)罐区与周围设施、建(构)筑物的安全距离：考虑周围设施物料挥发、耐火等级、有无可燃蒸气散发和有无明火等原因，要至少保证《石油化工企业设计防火规范》4.1.9所规定的最小防火间距[12].如居民区等八大类场所应保证的间距要大于100 m，与厂外公路应保证的间距要大于20 m，与变配电站应保证的间距要大于50 m，高架火炬应保证的间距要大于90 m，明火地点应保证的间距要大于40 m等;

(2)储罐之间的间距：按照《石油化工企业设计防火规范》内浮顶储罐之间的防火间距应大于0.4D(D为相邻较大罐的直径，单罐容积大于1 000 m3的储罐取直径或高度的较大值)，1 000 m3储罐内径：80 m，所以储罐间距至少大于32 m.

从安全防护的角度考虑，增加碎片的飞行距离，即增加储罐间距，碎片的撞击速度就会减小，从图3.1中我们得之，撞击速度越大，对储罐的作用效果越明显，如速度从110 m/s，减低至100 m/s，X轴向位移将减少0.98 cm、X轴向加速度最大值将减少1.7 m/s2.所以增大储罐间距，可尽可能的减少对储罐的损害.

4.2 罐壁材料选择

罐壁的材料不同，屈服强度也不同.本文将通过对比Q235、Q325、Q345三种不同钢材，对不同材料的撞击模拟.更改屈服强度可以在lsprepost中的绘图控制区选中对储罐的屈服强度进行修改.得出不同材料的X轴位移图如图8.

图8 三种不同钢材材料的对比图

从图中可以看出，我们可以选择屈服强度更大的材料作为罐壁，将有效的降低储罐的影响.

4.3 壁厚分析

HyPerworks是一个对有限元结构分析与优化的软件.它可以对象进行拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及目有尺寸和自由形状优化技术.应用拓扑，可以对尺寸和形状优化，因此可以计算出避免已知约束力作用下储罐失效，储罐应该达到最小的厚度.

在图4中，我们可以发现当碎片速度达到120 m/s，储罐被击破，因此本文的优化目标为：依然是速度依然是120 m/s时，储罐不被击破，储罐壁应达到的厚度.

通过lsprepost读取出碎片在120 m/s产生的最大撞击力为5.53×109N，该力为约束条件.然后在OPtistruct中，载入在ANSYS中建立的模型.

在OPtistruct中，需重新定义储罐的材料等参数，然后定义响应区域，本文为储罐壁.然后定义目标函数，本文选取的目标函数为响应区域质量最小，因为储罐壁的厚度，决定着储罐壁的整个体积，进而决定着质量.定义约束包括地面的约束以及撞击力及以及各自的约束位置等.保存HyPerworks数据文件后，进行运行.在输出文件中查看结构分析结果.从图9中，我们可以读出，为了避免120 m/s的碎片撞击储罐，储罐不被穿破的最小距离为158.6 mm.因此，在储罐设计上，可以通过增加储罐壁厚度，减小碎片撞击对储罐结构的影响.

图9 输出文件

5 结论

基于以上的分析与研究，得出以下主要：

(1)碎片质量越大、碎片速度越大、碎片撞击储罐接触面积越小、撞击入射角度越大、储罐变得越来越不稳定，储罐越容易失效，撞击损害程度与碎片质量、碎片速度、撞击入射角度成近似正比的关系，与碎片撞击储罐接触面积成近似正比的关系；

(2)碎片质量大于650 kg、或碎片速度大于110 m/s，或碎片接触面积小于0.015 m2、碎片入射角度大于65°时，储罐会被击穿，造成泄漏；

(3)通过模拟对比，验证了屈服强度越大的材料越能减小储罐的动力响应；通过对储罐壁厚的优化，可以得到预防不同严重程度的撞击，储罐不被击穿的最小厚度.

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Study of Dynamic Response of Large-Scale Tank under Blast Loads

ZHU Lifu1,YAN Shanyu2,PAN Ke2

(1.School of Environmental and Chemical Engineering,Dalian Jiaotong University，Dalian 116028,China； 2.School of Civil & Safety Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028,China)

Finite element method is performed to simulate explosion fragments hitting storage tank by ANSYS/LS-DYNA.The dynamic model is built,and the main factors of tank response are analyzed. In simulation,some factors are changed to analyzed the response to the tank,including the explosion fragments of the mass,velocity,contact area and angle in the impact.Except that the contact area is a negative correlation with the stability of the storage tank,other factors are positive correlation. It is firstly indicated that the fragments impact response of the storage tank is decreased by the change in material and/or thickness of the tank wall,suggesting that it is significant to prevent the failure of the oil storage tank under explosion.

explosive load;dynamic response;numerical simulation;failure prevention

1673- 9590(2016)02- 0082- 06

2015- 04- 07

朱立富(1988-),男，硕士研究生；阎善郁(1955-)，男，教授,硕士，主要从事环境安全控制与评价的研究E-mail:zhulifu2013@163.com.

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