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外浮顶对大型立式储液罐地震反应影响分析
摘要：基于ANSYS软件建立了考虑液体晃动和罐底提离的大型外浮顶立式圆柱形储液罐有限元模型，计算了地震作用下大型外浮顶储油罐的动力响应。通过各种浮顶形式（平浮顶、正锥形，倒锥形）的外浮顶储罐与敞口罐地震反应的比较分析，说明了各种形式浮顶的存在对储液罐地震反应产生的影响，从而确定了最优浮顶形式。
关键词：立式储液罐；外浮顶；地震反应

前言
地震是人类社会发展中最严重的自然灾害之一，石油工业设备的地震震害不仅带来巨大的经济损失，而且还易引发次生灾害[1]，导致极为严重的后果。因此，安全、合理地进行立式储液罐的抗震设计，一直是国内外学者所关心的问题。多年来世界上许多国家对其进行了大量的研究[1,2]，取得了阶段性的进展。近年来，我国石油化工业发展迅速，建造了更多、更大的立式储油罐。我国是一个多地震国家，许多立式储油罐都位于地震区，存在着抗震问题。特别在当前面临一个新的地震活动高潮期，由于外浮顶储油罐大大减少了储油蒸发损耗，结构易于处理，是石油化工企业中的主要储油容器，大型储油罐几乎全部采用外浮顶形式，而且直接浮放在基础上[3]。因此，自由搁置在基础上的大型外浮顶储油罐是抗震研究的主要对象。
已有震害表明[4~8]，自由搁置的外浮顶储油罐遭受地震时的主要危险在于：1)液面晃动，储油外溢，浮顶卡住，撞击、摩擦起火。若因液面下降，在浮顶下形成局部汽化则更为危险。造成这种破坏的主要原因是液面晃动过大所致。2)罐壁因失稳和强度不足造成“菱形”或“象足”形局部严重变形，导致破裂，使储油外泄。象足凸鼓多发生于近地面处；菱形折皱多产生于近地面处，但立即分两支各自延斜线向上传播，象足失稳是罐壁局部由于竖向受压而失稳，一小段薄壁向外凸出，当作用力逐步向一侧移动时，则形成一条水平失稳带，失稳区可以是一段圆弧。但严重时常可沿环向延伸遍及整个圆周，形成一条车胎形的环箍，名为象足凸鼓。3)罐底贴角处破坏，局部底板脱空，焊缝开裂，造成这种破坏的主要原因是由于储液罐的提离和储液罐基础的不均匀沉降。4)连接管道断裂，储油泄漏。这种破坏是由于储罐的提离、移位和沉陷所引起的，一般可采用构造措施加以防止。
迄今为止，国内外对这类自由搁置的大型外浮顶油罐抗震问题，尚无足以对震害破坏现象进行深入分析并提供充分依据的理论研究和计算分析成果，特别是由于液固耦合振动带来的困难和计算手段的缺乏，绝大多数的研究都是针对敞口罐开展研究工作，忽略了外浮顶对罐体的影响，而事实上外浮顶可以减轻液体晃动，减小动水压力。随着计算机硬件和国际通用软件的不断发展，采用大型有限元分析软件进行考虑外浮顶影响的立式储油罐地震反应分析成为可能。本文首先建立了立式外浮顶储液罐ANSYS有限元模型，并对此模型进行了可靠性验证。通过各种浮顶形式（平浮顶、正锥形，倒锥形）的外浮顶储罐与敞口罐地震反应的比较分析，说明了各种形式浮顶的存在对储液罐地震反应产生的影响，从而确定最优浮顶形式。
立式储液罐ANSYS模型建立
根据薄壁罐的特点，本文选择具有四个节点，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；基础采用SOLID45单元，该单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变的特性；浮顶由于其厚度相对较小，也采用SOLID45实体单元模拟；灌顶抗风圈采用BEAM4单元，该单元可用于计算应力硬化及大变形问题。此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、罐底提离和浮顶与液面随动，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。③液体上表面与浮顶下表面设置接触对。
所建的模型以容积为10000立方米外浮顶储液罐为原型，ANSYS模型罐尺寸参考实际罐规格。罐体直径为30.4m，罐高14.27m，罐内液体高度12m。罐壁采取变厚度，这是由于储罐的罐壁承受储液的静压，此静压是按三角形分布，由上至下逐渐增大，故罐壁厚度由上至下逐渐增厚。0-1.5m为18mm，1.5m-3.0m为17mm，3.0m-4.5m为15mm，4.5m-6.0m为13mm，6.0m-7.5m为11mm，7.5m-9.0m为10mm，9.0m-10.5m为8mm，10.5m-14.3m为7mm，罐底厚度为8mm。浮顶浮船外径比储罐内径小500mm，即为29.9m，平浮顶厚度取600mm。
罐壁材料