儲罐地震危害
儲罐地震基本概念
儲罐在煉油廠、化工廠非常常見,它儲存著大量的石油,原油等易燃易爆危險(xiǎn)化學(xué)品。
為了避免火災(zāi),爆炸,環(huán)境污染或?yàn)?zāi)難等不利后果,我們非常必要深入了解它們的地震行為。
儲罐可以剛性或柔性的附著在地面上。
如果儲罐為剛體附著在地面上,在水平地面加速過程中,罐壁和底板作為移動地面的一部分做出響應(yīng),并與地面保持一致。
剛性罐壁和地面的水平加速度引起的慣性力與地面加速度成正比。
當(dāng)儲罐裝滿液體時(shí),所含下部液體(Wi)就像與儲罐壁剛性連接在一起(耦連)。
當(dāng)這個(gè)質(zhì)量加速時(shí),它對罐壁施加一個(gè)水平力,該力與罐底的最大加速度成正比,此力定義為脈沖力(Impulsive force)Pi。
儲罐內(nèi)上部液體(Wc)充當(dāng)固體振蕩質(zhì)量,在相同的加速度下柔性連接到罐壁。
這部分以其自振頻率振蕩(晃動),在罐壁上施加一個(gè)與該頻率的平方以及地面加速度成正比的附加力,該力定義為對流分量(Convective component) Pc。
對流分量振蕩的特征在于“晃動”(Sloshing)作用,液體一側(cè)上升到靜態(tài)液面之上,一側(cè)則下降到靜態(tài)液面之下。
上面的流程只對于剛性基礎(chǔ)上的剛性儲罐有效-剛性罐的罐壁與地面同步移動。
柔性罐的運(yùn)動則不同,柔性影響流體動力學(xué)效應(yīng),并可能顯著增加影響地震特性。
下圖為儲罐抗震的數(shù)學(xué)模型:
液體的晃動對儲罐的響應(yīng)有顯著影響。
考慮液體晃動時(shí),自由液體表面的動水壓力分布、力矩和固有頻率的估計(jì)是主要問題。
為了模擬晃動部分,研究人員使用了各種機(jī)械模型,例如質(zhì)量彈簧阻尼器或擺系統(tǒng)。
在過去的幾十年里,晃動效應(yīng)一直在研究之中。這些研究中考慮了許多重要現(xiàn)象,例如晃動對非粘性和粘性液體的線性和非線性影響。
地震危害之1:罐底提升
當(dāng)未錨固的罐體暴露于強(qiáng)烈的地面震動時(shí),會有傾覆力矩,產(chǎn)生流體動力壓力,并且罐體一側(cè)會被抬起,除非罐體的重量可以平衡并防止在傾覆力矩期間被抬起。
罐底提升,可能導(dǎo)致罐壁破壞,輸入、輸出管道破裂,局部連接處應(yīng)力超標(biāo)或使基礎(chǔ)不對稱。
下圖為地震罐壁提升的效果圖。
如果不是旁邊的大罐依靠一下,儲罐可能會完全傾覆。
地震危害之2:罐壁屈服
罐壁屈服分為兩種:
A)由罐壁的軸向壓縮應(yīng)力引起的,在罐壁中間段產(chǎn)生的彈性屈曲(菱形壁)。
如下圖所示:
B) 由罐壁的軸向壓縮應(yīng)力引起的,在儲罐底部產(chǎn)生的彈塑性屈曲(象足)。
罐壁中的環(huán)向拉應(yīng)力對象足屈曲的發(fā)生也有重要影響,隨著罐壁中的環(huán)向拉應(yīng)力的增加,罐壁的屈服臨界應(yīng)力會降低。
非錨固的儲罐在地震下的提離作用會使得儲罐瞬間軸向壓應(yīng)力非常大,儲罐更容易發(fā)生屈曲。
為防止彈性和彈塑性屈曲損壞,應(yīng)防止罐壁中產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力(垂直地震力和提離)和罐壁中周向應(yīng)力的過度增加。
地震危害之3:不對稱沉降和滑移
地震時(shí)罐底與基礎(chǔ)碰撞產(chǎn)生的動態(tài)力,導(dǎo)致罐內(nèi)會發(fā)生沉降。
沉降的限制值可以參考GB 50341-2014,附錄E.4.5條。
地震在儲罐底部產(chǎn)生的剪力可能會克服儲罐底部與地基之間的摩擦力而導(dǎo)致儲罐滑移。
為了控制儲罐滑移,將基礎(chǔ)視為驅(qū)動力,將儲罐底部與床層的摩擦力視為平衡力。根據(jù)ASCE的建議,防止滑移所需的最小安全系數(shù)為1.5。
為計(jì)算抗滑移的平衡力,API建議罐底與地基之間的摩擦系數(shù)不大于 0.4。
這種損壞在直徑小于9米的儲罐中發(fā)生較多。
地震危害之4:損壞儲罐基礎(chǔ)
很多時(shí)候,儲罐位于不適合建造儲罐的區(qū)域。在未錨固或未全完錨固且有堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的儲罐中,罐壁與底板的大角焊縫很大概率會出現(xiàn)故障。
地震加速度會導(dǎo)致儲罐提升。
有時(shí),罐體傾倒會導(dǎo)致罐體基礎(chǔ)受到侵蝕;
地震常見的故障是罐壁附近的罐底變形,這可能是由于土壤液化、邊坡不穩(wěn)定或過度沉降造成的。
可以在儲罐下方使用加強(qiáng)的基礎(chǔ)來防止這種破壞。
在柔性基礎(chǔ)上制造的儲罐比在剛性基礎(chǔ)上實(shí)施更合適。因?yàn)檐浕A(chǔ)會導(dǎo)致罐體振動周期加長。
地震危害之5:傾覆
地震引起的傾覆力矩會導(dǎo)致部分罐體底板被抬升,該類型罐體的地震響應(yīng)退出線性范圍,進(jìn)入非線性階段。
隨著罐體高徑比的增大,質(zhì)心與底部之間的距離增加,從而傾覆力矩增大,穩(wěn)定性降低。
API 650規(guī)范中的附錄 E ,基于錨固比J進(jìn)行控制。
如果錨固比J大于 1.54,則儲罐將不穩(wěn)定并會產(chǎn)生傾覆,此時(shí)必須要設(shè)置錨固。
地震危害之6:罐頂部破壞
儲罐及儲液由于地震力而振動,儲罐內(nèi)儲液表面產(chǎn)生波浪。
當(dāng)頻率遠(yuǎn)低于罐壁的頻率時(shí),儲液就會發(fā)生振動,儲液的振動幅度受地震頻率的影響。
如果儲液晃動波高的自由距離不夠,就會損壞結(jié)構(gòu)。
下圖為晃動波產(chǎn)生的破壞。
為控制液體(晃動)和罐頂損壞,可增加液體自由高度(Freeboard),或加固儲罐頂板。
根據(jù) API 650規(guī)范,對自由高度有所要求,最低不低于0.7倍的晃動波高。
按照GB50341設(shè)計(jì)的儲罐,自由高度應(yīng)不低于晃動波高。
有時(shí)由于罐壁與罐底的連接失效,或與罐連接的管道失效,導(dǎo)致罐內(nèi)液體很快耗盡;
結(jié)果,液體快速排放產(chǎn)生了部分真空,導(dǎo)致罐頂和罐殼的上部失穩(wěn)破壞。