一种基于储液罐应力标准的爆破振动安全判据的确定方法与流程

本发明涉及一种爆破振动安全判据的确定技术领域。具体涉及一种基于储液罐应力标准的爆破振动安全判据的确定方法。

背景技术

石油储备建设已成为我国能源安全体系的重要环节，大型立式储液罐是目前储油基地广泛采用的储液容器，由于储油基地规模庞大，储存的皆是易燃易爆的流体，如发生破坏则后果不堪设想。因此为保证储液罐的安全，需要密切关注储液罐的应力分布、动力响应等方面。储油基地建设过程中，由于地形原因，一些储液罐依山而建，后续扩建工程的基础与交通道路等多需要爆破开挖。储油基地的爆破施工不可避免地对既有储液罐产生爆破扰动，当爆破扰动达到一定强度时，储液罐在爆破扰动的激励下会出现象足屈曲失稳等破坏形式，极可能导致火灾、爆炸等灾害，造成严重的环境污染与经济损失。而现有的爆破振动安全判据已提出以地表建筑物、隧道与巷道、岩石高边坡等作为保护对象对爆破扰动强度予以限定，而没有考虑储油基地中爆破扰动对储液罐的影响程度，储液罐罐壁轴向压应力可反映爆破扰动对储液罐的影响程度。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种简单易行、结果可靠和安全经济的基于储液罐应力标准的爆破振动安全判据的确定方法，该方法能为邻近大型储液罐的爆破施工提供直观的爆破设计依据与安全判据。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案的步骤是：

步骤1、根据美国apl650标准，利用储液罐的结构参数和罐内液体参数，确定储液罐罐壁轴向许用压应力[σ]：

当时，则：

当时，则：

式(1)和式(2)中：

[σ]表示储液罐罐壁轴向许用压应力，pa；

γ表示储液罐罐内液体密度，kg/m³；

h表示储液罐罐体总高度，m；

d表示储液罐罐体直径，m；

ts表示储液罐罐壁厚度，m。

步骤2、根据储液罐、地基和储液罐内液体的几何参数与材料参数，通过ls_dyna动力有限元数值模拟软件，建立数值计算模型。

步骤3、在所述数值计算模型中的地基上第一次试算施加爆炸荷载p1，所述第一次试算施加爆炸荷载p1＝(0.5～1.5)×10⁶pa，即得所述数值计算模型中储液罐的轴向压应力沿储液罐罐壁高度和沿储液罐罐壁环向的分布特征。再确定数值计算模型中储液罐的应力薄弱点，所述应力薄弱点为储液罐罐壁轴向压应力取最大值的位置处，即得数值计算模型中储液罐在第一次试算施加爆炸荷载p1时的应力薄弱点的轴向压应力σ1。

步骤4、在所述数值计算模型中的地基上第二次试算施加爆炸荷载p2，所述第二试算施加爆炸荷载p2＝p1+δp，即得数值计算模型中储液罐在第二次试算施加爆炸荷载p2时的应力薄弱点的轴向压应力σ2。

若数值计算模型中储液罐在第二次试算施加爆炸荷载p2时的应力薄弱点的轴向压应力σ2小于储液罐罐壁轴向许用压应力[σ]，则在所述数值计算模型中的地基上第三次试算施加爆炸荷载p3，所述第三次试算施加爆炸荷载p3＝p2+δp，即得数值计算模型中储液罐在第三次试算施加爆炸荷载p3时的应力薄弱点的轴向压应力σ3。

……。

若数值计算模型中储液罐在第n-1次试算施加爆炸荷载pn-1时的应力薄弱点的轴向压应力σn-1小于储液罐罐壁轴向许用压应力[σ]，则在所述数值计算模型中的地基上第n次试算施加爆炸荷载pn，所述第n次试算施加爆炸荷载pn＝pn-1+δp，即得数值计算模型中储液罐在第n次试算施加爆炸荷载pn时的应力薄弱点的轴向压应力σn。

若数值计算模型中储液罐在第n次试算施加爆炸荷载pn时的应力薄弱点的轴向压应力σn小于储液罐罐壁轴向许用压应力[σ]，则在所述数值计算模型中的地基上第n+1次试算施加爆炸荷载pn+1，所述第n+1次试算施加爆炸荷载pn+1＝pn+δp，即得数值计算模型中储液罐在第n+1次试算施加爆炸荷载pn+1时的应力薄弱点的轴向压应力σn+1。

所述δp表示相邻两次的试算施加爆炸荷载的爆炸荷载增量，δp＝(0.2～0.5)×10⁶pa。

若数值计算模型中储液罐在第n+1次试算施加爆炸荷载pn+1时的应力薄弱点的轴向压应力σn+1大于储液罐罐壁轴向许用压应力[σ]，则确定第n次试算施加爆炸荷载pn为爆炸荷载安全极限值[p]；然后得到数值计算模型中储液罐在施加爆炸荷载安全极限值[p]时地基的爆破振动速度峰值ppv。

步骤5、将所述地基的爆破振动速度峰值ppv除以重要性修正系数k，重要性修正系数k为1.2～2，即得基于储液罐应力标准的爆破振动安全判据[ppv]。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

本发明根据美国apl650标准确定罐壁轴向许用压应力[σ]、通过数值模拟方法建立数值计算模型、利用试算方法使应力薄弱点轴向压应力σn逼近轴向许用压应力[σ]，得到爆炸荷载安全极限值[p]，最终确定数值计算模型中储液罐在受到爆炸荷载安全极限值[p]时地基的爆破振动速度峰值ppv，并将地基的爆破振动速度峰值ppv除以重要性修正系数k，得到基于储液罐应力控制的爆破振动速度安全判据[ppv]。该方法不需要占用大量实验器材开展现场试验即可操作，简单易行，节省成本，安全可靠。本发明建立的以储液罐为保护对象的爆破振动速度安全允许标准，完善了现有的爆破安全规程，为邻近大型储液罐的爆破施工提供了可靠的爆破设计依据与安全判据，能指导既有大型储油罐邻近区域的爆破施工。

因此，本发明具有操作简单易行、结果可靠、安全经济的优点，为邻近大型储液罐的爆破施工提供直观的爆破设计依据与安全判据。

附图说明

图1为本发明的一种数值计算模型示意图；

图2为图1所示数值计算模型轴向压应力沿罐壁高度分布图；

图3为图1所示数值计算模型轴向压应力沿罐壁环向分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制：

实施例1

一种基于储液罐应力标准的爆破振动安全判据的确定方法。本实施例所述方法的步骤是：

某大型储油基地中，已有50座10万立方米储油罐，拟扩建储油基地，增建30座储液罐。新建储液罐的地基爆破开挖时，将对相邻已建成的储液罐有较大的影响，需考虑储油基地中爆破扰动对储液罐的影响。相邻的既有液罐及其地基：储液罐罐体直径80m；罐体高21.8m，采用spv490q钢材，罐内储水，液面高度20m，地基尺寸长×宽×高为140×120×20m。

步骤1、根据美国apl650标准，利用储液罐的结构参数和罐内液体参数，确定储液罐罐壁轴向许用压应力[σ]：

当时，则：

当时，则：

式(1)和式(2)中：

[σ]表示储液罐罐壁轴向许用压应力，pa；

γ表示储液罐罐内液体密度，γ＝10³kg/m³；

h表示储液罐罐体总高度，h＝21.8m；

d表示储液罐罐体直径，d＝80m；

ts表示储液罐罐壁厚度，ts＝0.032mm；

计算得选择式(2)，则得储液罐罐壁轴向许用压应力[σ]，[σ]＝33.12×10⁶pa。

步骤2、根据储液罐、地基和储液罐内液体的几何参数与材料参数，通过ls_dyna动力有限元数值模拟软件，如图1所示，建立数值计算模型。

步骤3、在所述数值计算模型中的地基上第一次试算施加爆炸荷载p1，所述第一次试算施加爆炸荷载p1＝1.0×10⁶pa，得到如图2所示数值计算模型中储液罐的轴向压应力沿储液罐罐壁高度分布图和图3所示数值计算模型中储液罐的轴向压应力沿储液罐罐壁环向分布图和；根据图2和图3所示储液罐罐壁的轴向压应力分布特征可知，应力薄弱点位于储液罐罐壁迎爆侧、距离罐底2m位置处，得到数值计算模型中储液罐在第一次试算施加爆炸荷载p1＝1.0×10⁶pa时的应力薄弱点的轴向压应力σ1＝18.71×10⁶pa。

步骤4、在所述数值计算模型中的地基上第二次试算施加爆炸荷载p2，所述第二试算施加爆炸荷载p2＝p1+δp。

所述δp表示相邻两次的试算施加爆炸荷载的爆炸荷载增量，δp＝0.5×10⁶pa(下同)。

p2＝1.0×10⁶pa+0.5×10⁶pa＝1.5×10⁶pa，得到数值计算模型中储液罐在第二次试算施加爆炸荷载p2＝1.5×10⁶pa时的应力薄弱点的轴向压应力σ2＝18.99×10⁶pa。

数值计算模型中储液罐在第二次试算施加爆炸荷载p2时的应力薄弱点的轴向压应力σ2小于储液罐罐壁轴向许用压应力[σ]，在所述数值计算模型中的地基上第三次试算施加爆炸荷载p3，所述第三次试算施加爆炸荷载p3＝p2+δp＝1.5×10⁶pa+0.5×10⁶pa＝2.0×10⁶pa，得到数值计算模型中储液罐在第三次试算施加爆炸荷载p3＝2.0×10⁶pa时的应力薄弱点的轴向压应力σ3＝19.25×10⁶pa。

……。

数值计算模型中储液罐在第48次试算施加爆炸荷载p48时的应力薄弱点的轴向压应力σ48小于储液罐罐壁轴向许用压应力[σ]，在所述数值计算模型中的地基上第49次试算施加爆炸荷载p49，所述第49次试算施加爆炸荷载p49＝p48+δp＝24.5+0.5＝25×10⁶pa，得到数值计算模型中储液罐在第49次试算施加爆炸荷载p49＝25×10⁶pa时的应力薄弱点的轴向压应力σ49＝33.02×10⁶pa。

数值计算模型中储液罐在第49次试算施加爆炸荷载p49时的应力薄弱点的轴向压应力σ49小于储液罐罐壁轴向许用压应力[σ]，在所述数值计算模型中的地基上第50次试算施加爆炸荷载p50，所述第50次试算施加爆炸荷载p50＝p49+δp＝25+0.5＝25.5×10⁶pa，得到数值计算模型中储液罐在第50次试算施加爆炸荷载p50＝25.5×10⁶pa时的应力薄弱点的轴向压应力σ50＝33.23×10⁶pa。

数值计算模型中储液罐在第50次试算施加爆炸荷载p50时的应力薄弱点的轴向压应力σ50大于储液罐罐壁轴向许用压应力[σ]，则确定第49次试算施加爆炸荷载p49为爆炸荷载安全极限值[p]；得到数值计算模型中储液罐在施加爆炸荷载安全极限值[p]＝25×10⁶pa时地基的爆破振动速度峰值ppv水平向为17cm/s和竖直向为3cm/s。

步骤5、将所述地基的爆破振动速度峰值ppv除以重要性修正系数k，根据工程性质的重要性和发生灾害时的影响程度，重要性修正系数k取值1.8，即得基于储液罐应力标准的爆破振动安全判据[ppv]水平向为9.44cm/s和竖直向为1.67cm/s。

实施例2

一种基于储液罐应力标准的爆破振动安全判据的确定方法。本实施例所述方法的步骤是：

某低温乙烯储备基地，建有10座3万立方米储液罐，拟爆破基地内山体，进行基地扩建。山体爆破开挖对基地内储液罐产生爆破扰动，需考虑储油基地中爆破扰动对储液罐的影响。本实施例的储液罐及其地基：储液罐罐体直径42m，罐体高24m，采用q-235af钢材；罐内储液高度22m；地基尺寸长×宽×高为80×80×20m。

步骤1、根据美国apl650标准，利用储液罐的结构参数和罐内液体参数，确定储液罐罐壁轴向许用压应力[σ]：

当时，则：

当时，则：

式(1)和式(2)中：

[σ]表示储液罐罐壁轴向许用压应力，pa；

γ表示储液罐罐内液体密度，γ＝910kg/m³；

h表示储液罐罐体总高度，h＝24m；

d表示储液罐罐体直径，d＝42m；

ts表示储液罐罐壁厚度，ts＝0.027mm；

计算得选择式(2)，则得储液罐罐壁轴向许用压应力[σ]，[σ]＝53.23×10⁶pa。

步骤2、根据储液罐、地基和储液罐内液体的几何参数与材料参数，通过ls_dyna动力有限元数值模拟软件，建立数值计算模型。

步骤3、在所述数值计算模型中的地基上第一次试算施加爆炸荷载p1，所述第一次试算施加爆炸荷载p1＝1.5×10⁶pa，得到所述数值计算模型中储液罐的轴向压应力沿储液罐罐壁高度和沿储液罐罐壁环向的分布特征；根据储液罐罐壁的轴向压应力分布特征可知，应力薄弱点位于储液罐罐壁迎爆侧、距离罐底1.6m位置处，得到数值计算模型中储液罐在第一次试算施加爆炸荷载p1时的应力薄弱点的轴向压应力σ1＝25.13×10⁶pa。

步骤4、在所述数值计算模型中的地基上第二次试算施加爆炸荷载p2，所述第二试算施加爆炸荷载p2＝p1+δp。

所述δp表示相邻两次的试算施加爆炸荷载的爆炸荷载增量，δp＝0.3×10⁶pa(下同)。

p2＝1.5×10⁶pa+0.3×10⁶pa＝1.8×10⁶pa，得到数值计算模型中储液罐在第二次试算施加爆炸荷载p2＝1.8×10⁶pa时的应力薄弱点的轴向压应力σ2＝26.04×10⁶pa。

数值计算模型中储液罐在第二次试算施加爆炸荷载p2时的应力薄弱点的轴向压应力σ2小于储液罐罐壁轴向许用压应力[σ]，在所述数值计算模型中的地基上第三次试算施加爆炸荷载p3，所述第三次试算施加爆炸荷载p3＝p2+δp＝1.8×10⁶pa+0.3×10⁶pa＝2.1×10⁶pa，得到数值计算模型中储液罐在第三次试算施加爆炸荷载p3＝2.1×10⁶pa时的应力薄弱点的轴向压应力σ3＝26.98×10⁶pa。

……。

数值计算模型中储液罐在第88次试算施加爆炸荷载p88时的应力薄弱点的轴向压应力σ88小于储液罐罐壁轴向许用压应力[σ]，在所述数值计算模型中的地基上第89次试算施加爆炸荷载p89，所述第89次试算施加爆炸荷载p89＝p88+δp＝27.6+0.3＝27.9×10⁶pa，得到数值计算模型中储液罐在第89次试算施加爆炸荷载p89＝27.9×10⁶pa时的应力薄弱点的轴向压应力σ89＝53.12×10⁶pa。

数值计算模型中储液罐在第89次试算施加爆炸荷载p89时的应力薄弱点的轴向压应力σ89小于储液罐罐壁轴向许用压应力[σ]，在所述数值计算模型中的地基上第90次试算施加爆炸荷载p90，所述第90次试算施加爆炸荷载p90＝p89+δp＝27.9+0.3＝28.2×10⁶pa，得到数值计算模型中储液罐在第90次试算施加爆炸荷载p90＝28.2×10⁶pa时的应力薄弱点的轴向压应力σ90＝53.79×10⁶pa。

数值计算模型中储液罐在第90次试算施加爆炸荷载p90时的应力薄弱点的轴向压应力σ90大于储液罐罐壁轴向许用压应力[σ]，则确定第89次试算施加爆炸荷载p89为爆炸荷载安全极限值[p]；得到数值计算模型中储液罐在施加爆炸荷载安全极限值[p]＝27.9×10⁶pa时地基的爆破振动速度峰值ppv水平向为22cm/s和竖直向为6.5cm/s。

步骤5、将所述地基的爆破振动速度峰值ppv除以重要性修正系数k，根据工程性质的重要性和发生灾害时的影响程度，重要性修正系数k取值1.5，即得基于储液罐应力标准的爆破振动安全判据[ppv]水平向14.67cm/s和竖直向4.33cm/s。

本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

本发明根据美国apl650标准确定罐壁轴向许用压应力[σ]、通过数值模拟方法建立数值计算模型、利用试算方法使应力薄弱点轴向压应力σn逼近轴向许用压应力[σ]，得到爆炸荷载安全极限值[p]，最终确定数值计算模型中储液罐在受到爆炸荷载安全极限值[p]时地基的爆破振动速度峰值ppv，并将地基的爆破振动速度峰值ppv除以重要性修正系数k，得到基于储液罐应力控制的爆破振动速度安全判据[ppv]。该方法不需要占用大量实验器材开展现场试验即可操作，简单易行，节省成本，安全可靠。本发明建立的以储液罐为保护对象的爆破振动速度安全允许标准，完善了现有的爆破安全规程，为邻近大型储液罐的爆破施工提供了可靠的爆破设计依据与安全判据，能指导既有大型储油罐邻近区域的爆破施工。

因此，本发明具有操作简单易行、结果可靠、安全经济的优点，为邻近大型储液罐的爆破施工提供直观的爆破设计依据与安全判据。