大型立式储油罐地震反应分析

　　0　前言

　　立式圆柱形钢制储油罐是油田、石油化工及其相关企业广泛应用的储液容器。大多为存贮易燃、易爆物质,一旦发生震害,后果十分严重。1964年6月16日,日本新泻地震中储油罐破坏后,发生的大火持续15d,烧毁储油罐84座,造成严重的经济损失和空气污染。1976年7月28日,我国唐山大地震时,唐山市内烈度XI度区两座1000m3储油罐严重破坏,罐内数百吨汽油全部漏出。

　　本文采用ANSYS软件中的接触单元和目标单元来模拟移动边界的非线性,采用扩展的拉格朗日方法计算,通过设置接触刚度和容许渗透值来控制结果精度和收敛时间,成功的模拟出了液体的大幅晃动和罐底提离现象。10万m3大型储油罐地震反应分析表明,与小体积罐相比液面晃动周期、提离高度等有明显的区别。

　　1　储油罐ANSYS模型建立

　　根据罐壁薄的特点,在ANSYS中选择具有四个节点,每个节点有六个自由度的SHELL181单元建立罐壁模型,在动力荷载下,允许单元的横行剪切变形,允许单元伸展,因而厚度设置为固定的单元参数;罐内液体采用基于Housner模型简化的三维液体单元FLUID80,此单元适合于容器液体、无净流速的液体模型分析,以及有关静水压力计算、固-液耦合计算和加速度效益等。例如,液体的晃动、温度的影响;基础模型选用模拟三维固体结构的SOLID45单元,此单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变的特性。储液罐模型建立的关键是应用了接触单元和目标单元来模拟移动边界的非线性,以此实现了液体的大幅晃动和罐底提离,采用的单元是与以上罐体单元相匹配的CONTA173单元和TARGE170单元。状态非线性分析的关键点:①罐体与液体接触面之间设置接触对;②罐底与基础之间设置接触对。

　　10万m3储油罐ANSYS模型罐罐体直径为80m,罐高24m,罐内液体高度18m,由于模型较大计算收敛较困难,所以网格划分相对较粗。罐壁厚度采取变厚度,0~9m为32mm,9~18m为18mm,18m~24m为12mm。罐壁材料采用490MPa级高强度钢材,考虑材料的非线性,采用双线性随动强化模型,弹性模量为2·1×1011N/m2,屈服强度为4·9×108N/m2,切线模量为2·06×109N/m2。基础高度为6m,直径为120m,考虑基础的压缩性,采用弹性模量为1·8×109N/m2。罐内液体采用原油,密度为(0·7-1)×103kg/m3,取0·8×103kg/m3,弹性模量3×1010N/m2,粘滞系数为0·00224Ns/m。

　　2　储油罐地震反应分析

　　输入的地震波为水平EL.CENTRO波,加速度最大峰值为3·41m/s2,出现在2·06s。地震波持续时间20s。

　　2·1　液面晃动分析

　　由计算得到罐内左右液面高度变化时程曲线及频谱分析曲线如图1、2、3所示。图1给出了左右罐壁毗邻处液面高度变化时程曲线,其中UY-2表示是右侧液面节点的竖向位移,UY-3表示左侧液面节点的竖向位移。