特大型LNG儲罐等殼體結構抗爆研究綜述

葛慶子，翁大根，張瑞甫

(同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092)

隨著我國液化天然氣(LNG)需求量與進口量逐年增加，沿海地區許多城市已陸續開始采用特大型LNG接收站接收、儲存及供應天然氣。液化天然氣儲罐類設施屬于生命線工程，其安全性至關重要，一旦遭受非常規荷載如武器襲擊或飛行物撞擊等，災難性后果不堪設想。隨著2001年美國“9.11”事件的爆發，世界各國對建筑物、構筑物的抗爆研究日益加強，并針對不同類別建(構)筑物的抗爆性能進行研究［1］。

雖目前尚無液化天然氣儲罐被襲擊記錄，但類似儲運裝置遭受襲擊案例屢見不鮮［2］。如2005年英國發生的Buncefield油庫爆炸事件，造成T908號儲罐嚴重塑性破壞、T910號儲罐整體摧毀，由此暴露出儲液罐等殼體結構脆弱的抗爆能力［3］。

液化天然氣運營主要由四層安全保障:罐體安全設計、泄露控制裝置、安全預警系統、接收站區域規劃。罐體安全設計為重中之重，尤其特大型LNG儲罐遭受常規武器襲擊或飛機撞擊等沖擊荷載作用，罐體安全性問題有待研究［4-5］。

1 常規爆炸沖擊荷載研究

核武器爆炸沖擊荷載作用研究國外起步較早，國內亦有較多研究成果可借鑒。核武器爆炸釋放能量巨大，引起地運動范圍亦巨大，一般工程局部場地震動較均勻，因此工程設計中常取其為自由場運動參數。與核爆炸不同，常規武器等爆炸能量相對核爆炸小得多，引起的運動范圍也小，自由場運動不均勻，介質與結構相互作用效應顯著，結構運動參數較自由場小，工程設計不能再用自由場運動參數。常規武器爆炸傳播具有加速度峰值高、持時短、結構材料性能受應變速率影響大等特點［6］。目前，對常規爆炸沖擊荷載研究有三種方法:經驗法、半經驗法、數值模擬法。

1.1 經驗法

經驗法最早見于美國軍隊設計手冊［7-8］。文獻［7］側重爆炸荷載分析，文獻［8］側重常規武器襲擊分析。經驗法雖計算簡單，但通常對某種試驗結果歸一化，存在試驗條件特殊、適用范圍較小等問題，適用性、精度往往較差。

文獻［7］系統介紹爆炸荷載的估算、非線性動力分析及常見建(構)筑物分析設計等方法。推薦估算爆炸荷載大小方法有:① 確定爆炸荷載TNT(三硝基甲苯)等效當量W與距離目標物體距離RG;② 用公式ZG=RG/W1/3確定計算等效距離ZG;③ 據ZG及經驗曲線確定最大荷載壓強Pr、反射脈沖ir、作用持時t0。

文獻［8］主要介紹遭受常規武器襲擊的防護結構分析設計過程，同樣適用于既有結構加固設計。其設計過程為:① 將結構受荷表面劃分為若干計算區域，估算每塊計算區域的壓強時程曲線;② 計算所有區域的脈沖總和;③ 計算得出整體結構表面荷載時程曲線。該過程方法不足在于將荷載同時作用于所有結構表面，而真實結構中沖擊波有行波效應。因此會造成上述近點空中爆炸及表面接觸爆炸計算誤差增大。

1.2 半經驗法

Kingery等［9］在文獻［8］基礎上用半經驗法估算爆炸荷載大小，并考慮了荷載隨時間指數的遞減。因此該方法更接近真實情況，表達式為:

式中:P(t)為t時刻壓強;Pso為壓強脈沖峰值;T0為絕對作用持時;A為衰減系數;Ta為到達時間。該方法不但廣泛應用于估算自由空中爆炸的結構荷載大小，也被編入CONWEP(Collection of conventional weapons effects calculations from the equations and curves)計算程序，故也被稱為CONWEP爆炸模型。

1.3 數值模擬方法

隨著有限元方法的發展與計算機技術的提高，采用數值模擬方法進行爆炸荷載研究越來越多，并取得良好分析結果。由于爆炸瞬間、爆炸中心周圍介質處于高溫高壓狀態，呈現明顯流體特性，因此模擬中涉及流固耦合問題，主要采用計算流體力學CFD(Computational Fluid Dynamics)方法。該方法中常用的離散化方法主要為有限體積法、有限差分法及顯式有限單元法［10］。隨著無網格法發展，光滑質點流體力學法(Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH)逐漸被應用于爆炸與沖擊分析計算中。

2 核反應堆安全殼抗爆研究

核反應堆安全殼與特大型LNG儲罐外形結構相似，均屬于鋼筋混凝土厚殼，見圖1、圖2。一般核反應堆安全殼直徑約18～20 m，結構總高度約50～60 m，厚度約1 000 mm;特大型LNG儲罐外徑約40 m，總高度約50 m，厚度約800～1 000 mm。核反應堆安全殼抗爆研究，已取得較好進展，回顧與總結其研究成果，對特大型LNG儲罐的抗爆研究有重要借鑒意義。

圖1 特大型LNG儲罐典型剖面示意圖Fig.1 Section plan of extra-large LNG storage tank

圖2 核反應堆安全殼典型剖面示意圖Fig.2 Section plan of nuclear reactor containment

李國豪等［11］在殼體基本動力特性研究基礎上開展核反應堆抗爆安全性理論研究，提出核能工程中沖擊結構力學若干問題。據固體力學與波動力學基本原理，采用經典板殼理論等對核電站安全殼進行抗沖擊波荷載動力分析及抗撞擊研究［12-15］，并取得階段性成果，為我國殼體結構抗爆研究奠定了基礎。左家紅等［16］采用ADINA程序對秦山核電站安全殼在飛機撞擊下的結構反應進行分析。以上研究成果為我國第一座核電站等核電項目建設提供了可靠的理論依據與設計參考，亦可作為特大型LNG儲罐的設計理論參考。

隨著計算機水平與有限元技術的飛速發展，數值模擬方法成為核電站安全殼抗爆性能分析的主流手段。王天運等［17］據某國防科研課題，采用有限單元法建立核電站安全殼在爆炸沖擊波作用下的動力分析模型，提出12質點桿模型，討論并分析了質點桿模型在安全殼預應力混凝土結構中的應用。文獻［18-20］據核電站安全殼結構形式，采用Backman等侵徹假設，建立鋼筋混凝土分離式有限元模型，分別對250 m/s、400 m/s、600 m/s著靶速度彈丸侵徹預應力混凝土結構過程進行數值模擬。結果表明:著靶速度對結構的破壞形式與區域有明顯影響，彈丸侵徹表現為明顯的沖塞現象。文獻［21］采用流固耦合算法，對核電站安全殼在爆炸荷載作用下的動力響應進行數值模擬，得出造成安全殼破損的最小安全距離及爆炸當量。數值模擬結果為核電站的主動攔截防護提供了重要技術參數。文獻［22］在此研究基礎上，以5 000 kg等效TNT當量裝藥在安全殼100 m外觸地爆炸為例研究核電站安全殼基底振動響應，將裝藥爆炸、土中傳播與結構組成有限元分析體系，對安全殼基底振動響應進行分析。結果表明:安全殼基底及殼體壓力呈環狀分布，在基底及殼體連接處有明顯的應力集中;等效應力-時程曲線及徑向應力-時程曲線顯示，殼體最大等效應力為35 kPa、最大徑向應力為32 kPa，均在安全范圍內。在給定條件下，基底與殼體響應值遠未超出設計值，核電站運行安全可靠。

隨著隔震技術在核反應堆工程中的應用，其隔震安全性頗受關注。Huang等［23］研究傳統核反應堆與隔震設計核反應堆在地震及爆炸荷載作用下的反應，采用有限單元法、計算流體力學模擬2 000 kgTNT炸藥離反應堆10 m位置處爆炸后，兩種反應堆所受空氣爆炸沖擊波及地面振動雙重作用下的各種結構響應。結果表明:兩種反應堆結構均可有效抵抗該級別的爆炸襲擊，隔震層能有效減小結構水平高頻加速度分量，從而降低反應堆的加速度反應與基底剪力反應。

3 LNG儲罐抗爆研究

3.1 LNG儲罐抗爆研究現狀

對LNG儲罐的抗爆研究最早由美國軍方開始，Drake等［24-26］系統研究了鋼筋混凝土防護墻及防護殼在爆炸荷載作用下的響應，以及地面爆炸荷載計算、用單質點模型模擬防護墻及防護殼結構、防護結構設計等。Reid［27］在文獻［24-26］基礎上，通過足尺與縮尺試驗等方法研究了加筋土墻及加筋巖土碉堡等常見軍用防護設施在常規武器襲擊下的抗爆能力。研究結果對該類構筑物的抗爆設計提供了可靠參考資料及設計理論依據，也為LNG儲罐的抗爆設計提供了參考。Schneider等［28］對鋼制儲罐遭受飛行物撞擊問題進行研究，并對撞擊后儲罐的反應進行評估。研究中考慮不同撞擊速度、不同撞擊角度對撞擊結果影響。結果表明:普通鋼制儲罐僅能抵抗小型飛行物撞擊，對客機、運輸機、導彈等的撞擊抵抗力不足。研究結果對新建、已建儲罐的安全性評估有一定指導作用。

Waryas等［5］對LNG接收站遭受兩種襲擊的可能性及后果進行研究:① 手持式常規武器襲擊特大型LNG儲罐，② 攜帶炸彈小型船只撞擊LNG運輸船(類似于2002年法國油輪Limberg號事件)。研究結果表明:LNG儲罐在遭受小型爆炸時會引起劇烈振動從而導致外罐破壞，內罐安全有保證，但連續爆炸會帶來一系列諸如儲液泄露、火災等問題;LNG運輸船在受到炸彈襲擊后損失慘重，船員生命安全不僅無法保證，且若船在近海附近遭襲還可能引起接收站的破壞。Oesterle［29］對普通鋼筋混凝土殼進行爆炸模擬試驗與有限元模擬分析，結果表明鋼筋混凝土殼對爆炸荷載有一定承受能力，但局部破壞不容忽視，若受到非接觸爆炸沖擊波作用，構件整體能發揮一定塑性變形能力抵抗沖擊波能量，但若受到表面接觸爆炸則會發生局部嚴重損壞。這對特大型LNG儲罐的抗爆研究有借鑒意義，儲罐若受到接觸爆炸作用，可能會發生局部嚴重破壞從而導致儲液泄露、爆炸、火災等一系列嚴重后果。

馬加路［30］針對LNG儲罐等結構在遭受爆炸作用時表面形成的爆炸荷載壓力場分布問題展開研究，用顯式動力學有限元軟件對爆炸全過程仿真，并通過半自由空間中地面爆炸的模擬與分析，與爆炸經驗公式進行對比驗證了有限元模型的正確性，同時提出球殼結構上爆炸荷載分布的簡化方法。田曉雪等［31-32］針對特大型LNG儲罐在沖擊荷載作用下的動力性能進行研究，用質量塊撞擊儲罐外壁及穹頂。研究認為:質量塊的質量及速度一定情況下，質量塊撞擊儲罐壁不同位置時，等效應力隨儲罐高度的降低而降低;并研究質量一定、沖擊速度70 m/s時特大型LNG儲罐外罐壁響應;質量塊以不同速度沖擊穹頂時，隨著時間的增加穹頂應力擴散范圍逐漸增加，達到最大面積時，基本為整個穹頂;沖擊荷載只影響撞擊點局部應力變化，產生高應力、大應變，其它部分基本不受影響。朱正洋［33］采用多物質歐拉與拉格朗日耦合算法，對近地空中爆炸沖擊波與柱形拱殼結構的相互作用進行數值模擬，分別采用剛性體材料及考慮應變率的塑性材料模擬拱殼結構，研究目標在爆炸作用下的運動變形損傷及破壞對爆炸荷載分布影響。數值模擬分析結果表明:拉格朗日-歐拉耦合算法能較好模擬爆炸沖擊波在介質中的傳播及作用在結構上的爆炸荷載效應。

3.2 特大型LNG儲罐抗爆設計方法

目前，國際上常用的LNG儲罐設計規范為歐洲規范［34］、英國規范［41］、美國規范［42］等。美國規范中無抗爆設計相關規定，歐洲規范與英國規范對特大型LNG儲罐的抗爆設計提出要求及建議的設計方法。歐洲規范規定任何涉及危險液體作業的工廠均存在發生爆炸的可能性，在儲罐危險分析中應包括儲罐外部爆炸沖擊波過壓及外部飛行物沖擊;由于爆炸荷載隨時間變化，因此應進行完整動態分析，以確定爆炸荷載對整個儲存系統及單個部件影響，包括對儲罐基礎影響。

分析爆炸沖擊波荷載作用一般采用:

(1)假設爆炸沖擊壓強時程曲線，確定原始波最大沖擊壓強Pfree_field。對時程曲線，各國規范尚無統一規定。典型的沖擊壓強時程曲線見圖3，其壓強峰值一般取7～12 kN/m2。

圖3 典型沖擊壓強時程曲線Fig.3 Typical time history of blast pressure diagram

(2)確定動力荷載系數。用動力荷載系數經驗曲線［35］，通過圖3中沖擊壓強持時τ與外罐自振周期T之比在曲線中求得相應的動力荷載系數DLF，從而得到考慮動力荷載效應的最大沖擊壓強PDLF=Pfree_fieldDLF。

(3)估算罐壁、罐頂的最大靜壓強分布。用公式P=PDLF(1+cosθ)估算罐壁各處的最大靜壓強分布，結果見圖4、圖5。罐頂壓強分布計算采用分片計算方法，將罐頂按垂直沖擊波方向平均分為八個區域，最大區域處壓強為1.5P，最小區域處壓強為0.5P，其余各區域壓強按插值法計算，結果見 圖6、圖7。

表1 沖擊荷載驗算經驗公式Tab.1 Empirical formula of impact loading

圖4 罐壁靜壓強分布平面圖Fig.4 Plan of the blast wave pressure acting on the wall

圖5 罐壁靜壓強分布立面圖Fig.5 Elevation of the blast wave pressure acting on the wall

圖6 罐頂靜壓強分布平面圖Fig.6 Plan of the blast wave pressure acting on the roof

圖7 罐頂靜壓強分布立面圖Fig.7 Elevation of the blast wave pressure acting on the roof

(4)將上述壓強分布作用于結構，采用有限元軟件對結構2D或3D模型進行等效靜力分析，驗算其抗沖擊波荷載安全性。

對飛行物沖擊荷載作用，文獻［34］建議在一般設計中計算110 kg剛體以45 m/s速度垂直撞擊罐體表面，并規定設計標準為在該剛體作用下，罐壁不發生震塌破壞、擊穿破壞，罐頂不發生擊穿破壞。一般由經驗公式估算，四種常用經驗公式［36-39］見表1。其中Hs，Hp分別為防止發生震塌破壞、擊穿破壞的混凝土厚度;U為DOE-Standard公式中參考速度，取61 m/s;V為剛體飛行速度;M為剛體質量;D為剛體等效直徑;f'c為混凝土極限抗壓強度;N為剛體形狀系數;ρ為混凝土密度;V0為Bechtle公式中參考速度，取60.96 m/s。按上述公式分別計算罐體、罐頂的需求厚度，并取四種公式計算結果中最大值作為設計參考。

4 特大型LNG儲罐抗爆研究存在問題與發展趨勢

由上述研究現狀看出，我國對核反應堆安全殼的抗爆研究從最早采用經驗解、解析解進行評估，到采用經典板殼力學方法進行分析，再到利用有限元方法、計算機技術進行研究，均取得一定成果，對核電站設計、建設提供了有力的理論依據。然而我國對特大型LNG儲罐類殼體結構的抗爆性能研究尚處于起步階段，無論經典理論推導研究或精確有限元模擬研究，均有欠缺之處，存在問題及發展趨勢有:

(1)均未考慮儲罐罐內、外罐間的相互作用，認為內外罐相互獨立，而實際中內外罐之間存有保溫層(圖1)，會有力的傳遞。內罐及保溫層對外罐抗爆能力影響的利弊有待研究。

(2)雖可借鑒核反應堆安全殼研究成果，但特大型LNG儲罐與安全殼結構仍有許多不同之處，主要體現在內外罐與儲液之間的流固耦合問題。對地震等偶然荷載的作用，特大型LNG儲罐流固耦合研究國內外已有成果，但爆炸荷載具有不同于地震荷載持時更短、加速度高頻分量多等特點，因此爆炸荷載作用的流固耦合問題有待研究。

(3)為提高特大型LNG儲罐的抗震性能，已建、擬建工程均采用隔震技術，隔震儲罐的地震反應及安全性分析已有相關研究，但在爆炸荷載作用下，隔震儲罐的安全性問題尚不明確，有待研究。

(4)現行特大型LNG儲罐抗沖擊波荷載設計方法為擬靜力方法，將動力荷載簡化為靜力荷載施加于罐體進行分析，該分析方法存在計算不夠準確，反射波考慮過于簡單等問題。如該方法假設沖擊波水平沖擊罐體，而實際工況沖擊波會從罐體各個方向襲擊，罐頂設計厚度最薄處僅400 mm，能否抗得住沖擊波沖擊值得商榷。現行抗飛行物沖擊設計方法僅考慮剛體水平沖擊罐體，未考慮罐頂安全性，而采用經驗公式對罐體進行驗算，驗算可靠性有待研究。對此，需采用高性能計算機進行精確有限元分析或無網格SPH分析，且考慮空氣場與特大型LNG儲罐結構及內部儲液之間的流-固-流耦合問題，涉及流體與儲罐的非線性。

(5)對特大型LNG儲罐的簡化分析多采用簡化模型［40］，或進一步改進的模型，對此類模型在爆炸荷載作用下的分析尚未見報導。在有限元分析結果基礎上如何改進該經典的簡化模型，使其適用于抗爆分析及特大型LNG儲罐設計值得研究。

(6)因我國特大型LNG儲罐工程均為國外公司或中外聯合體進行設計、施工，不同公司所用規范也不相同，且無技術轉讓，不利于我國特大型LNG接收站的正常運營及安全保障。因此，極需對國外設計的儲罐進行系統抗爆研究，以期掌握第一手資料，對我國自主研發特大型LNG儲罐設計提供技術支持。

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