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浮顶型敞口圆筒储罐火灾下的热屈曲研究

Jean C. batista-abreu1和Luis A. Godoy，m.asce2

摘要：本文出示了火灾引起的热载荷作用下开口圆柱壳形状的储油罐的计算结果。使人产生兴趣是的在2009年波多黎的油库发生过一次灾难性的火灾导致油库内的21座油罐设备失效。本篇文章通过在各种火灾条件下，可以识别并预期油罐的变形模式，并且进行了一个油罐几何的计算机建模。根据研究表明，火灾发生在罐外，而且逐渐增加的温度会影响油罐圆周方向上的外部表面。非线性剥落的反应是仿照使用有限元存在热负荷和自重的情况下。进行非线性行为的计算，以确定热屈曲的外部剥落作为一个极限点。一开始按照先进行空罐计算，并考察了各种因素的影响，包括储液的温度梯度的厚度，圆周受火影响区，及壳体厚度。开孔式油罐的研究结果表明，大的平面位置的变形剥落归因于热屈曲与加热区重合。通过以上的研究，显示出的热梯度的厚度的屈曲载荷和模式的重要性。

关键词：损伤；评估；有限元建模；火灾；储罐；结构失效。

正文：近年来，炼油厂和储存设施经常性的发生爆炸和火灾，造成储罐损坏和故障，造成重大人员、环境和经济损失。在1960至2003年间发生的242起储罐事故的调查中发现，在不包括爆炸的为主要原因的情况下，火灾的比例达到了60%，是最常见的事故。在北美洲发生的事故案件有47.1%（其中43.4%的案件发生在美国），亚洲和澳大利亚都有29.8%、欧洲占15.7%、非洲占3.7%、和南美洲3.7%。

回顾1951至2003年间在石油储罐内发生火警的480宗意外，显示每十年最少有20%宗是意外事故，发生在1990年的火灾事故平均有十六宗（佩尔森和Louml;nnermark 2004）。值得注意的是，一半的火灾事故发生在美国。佩尔森和Louml;nnermark提到一些储油罐参与火灾事件的次数大大大于事故发生的次数，这就意味着众多的储罐容器积极的参与了每一次事故。在已知火灾储油罐数量的情况下，每个事件的平均储油罐数为六个，但发生的最大火灾事故涉及了200个储油罐，而且油罐的直径在8和90米之间变化，大多数的油罐被认为是浮顶油罐。大多数这些油罐有一个外部浮顶。用来固定浮顶油罐，包括圆锥型油罐和拱顶型油罐，也出现在这次的火灾当中，但在较小的比例。

储油设施发生的最出名的一例火灾案例发生在英国的邦斯菲尔德，这次火灾案例的时间发生在2005年十二月，对20座储油罐造成了影响（邦斯菲尔德重大事件调查委员会2008）。最近发生了类似比例的事故发生在波多黎各的巴亚蒙。

在2009年10月份，此次事故造成了二十一座储油罐的毁坏。（Batista Abreu和戈多伊2011）。通过调查发现一个共同的特征是大多数的这类事故都是对火灾在油库中的传播导致油库的重建产生困难产生了深远的影响的。因为火会破坏最明显依据。在一次火灾调查中，受火影响的油罐在发生火灾事故的这个过程结束时，可能会有十分严重的破坏程度，以致用最后的储油罐的破坏程度信息来作为指示事故的来源，会产生很大的困难。另一方面，有可能有摄影记录（如2009波多黎各事故的情况下）的油罐会记录各级变形归属于火灾不同的时间，这些证据可能对火灾之后的重建工作提供有用的信息。然而,油罐扭曲的形状和他们之间的联系不是不证自明的,它需要仔细研究油罐壳体变形的形状和观察了解油罐在不同火灾场景。

通过了解火灾中的变形模式的真实情况，以了解在实际情况下观察到的变形模式。从本质上说,火灾影响材料特性(即。、刚度和强度参数)和诱发严重的形状变化。几何变化成为重要只要有位移约束与在顶部和底部边界条件有关的一个参数。在初始阶段,火灾作为一个热负荷的结构。并且可能的情况是，在材料性质发生强烈变化之前，该形状由于热而变形屈曲。

在过去的三年中，科学界对结构系统火灾影响的认识集中在单个构件和框架结构的行为上[见，例如，卜婵安（2002）及王（2002）]。然而，在研究薄壁储罐钢油罐在火灾中，考虑到特定行为的壳体是不常见的文献（刘等人。2008）。所以目前还存在许多问题，如：什么温度水平和分布所需的诱导壳屈曲？此行为初始化是以弹性反应或者是伴随着显著的可塑性？整个厚度的温度梯度修改的临界温度？

本文从个体开放式储油罐，受到火灾的事故的波多黎各的巴亚蒙，利用有限元模型得到的计算结果，估计出平均水平温度触发油罐屈曲需要。在所有的情况下，研究强调通过考虑几何的故障过程的开始，在壳中发生的归因于热屈曲的变化。油罐的毁坏不是模拟由于计算困难，因为它不可能在一个初始的火灾调查和在材料试验是有用的开展.变形的形状，另一方面，成为元素的快速分析，可以提供一个概述如何火灾传播的罐区。

在巴亚蒙2009事故总结

2009年10月23日，在加勒比石油公司的设备发生了一件灾难性的事故，位于波多黎各的巴亚蒙的一个大型储油厂。工厂坐落在一个建筑面积约五十万平方米的地方，工厂内的设施包括以下四个方面：行政办公楼、一个储油罐的罐区，一个废水处理厂，以及一个炼油厂，自2000年以来没有进行过操作。出口商会设施位于一个水湖的东北区，约有一万两千平方米的表面面积，并在三个私人港口胡安湾装卸产品，装备同时接收多艘船只，距离工厂3公里。

工厂修建了七十六座储油罐，其中四十座用于储存汽油、柴油、汽油、航空燃油、液化石油气、燃料油、原油。那些是圆柱形储油罐，用制造钢或铝锻造，圆锥或球形外固定拱顶和内浮顶。根据Godoy等人。（2002）在七十年代，一家美国公司建造了大部分储油罐。最大的一座储油罐的直径有74米，典型的油罐直径约30米、高12米的参数。以下是两种类型的油罐的直径：一些坦克支持增强钢筋混凝土环，而另一些则是直接放在固结土。在这个设施没有油罐支持桩。与固定顶储罐之间的柱焊接连接L体和圆锥形屋顶。事故发生前，图1所示的储罐没有固定顶板。其中几座油罐过去曾由其中一位作者和同事分析研究他们的反应在风（Sosa和戈多伊2005），地震（Virella等人。2006），支点沉陷等（戈多伊和Sosa 2003）。

2009年10月23日,星期五的上午,厂区各种设施发生了一系列的爆炸和火灾。最强大的第一个多种爆炸是发生在上午十二点二十三分。最后一次发生爆炸的时候是下午八点十六分，由消防队员进行登记。在这一天，当天爆炸时天气的最高温度为三十四度，最低温度为二十六度。事故分析报告上登记的最大风速是29公里/小时。当天的爆炸没有下雨。

波多黎各地震台网安装在该地区的二十五个监测站有十三个记录点记录了这次的爆炸。(20的大小相当于工厂爆炸的气体。被Batista-Abreu和戈(2011),所涉及的事故超过一半的油罐储区,这次爆炸造成了重大损失，危害环境和人们的身体健康,并产生了巨大的经济损失。

代理的联邦调查局(FBI)表示,这是波多黎各历史上发生的最大的火灾。发生爆炸时，火焰迅速传播,达到30米高。根据联邦应急管理局的调查结果显示,这次的火灾有二十一座油罐最终参与了此次大火。火灾蔓延到了存储罐区面积的50%,包括大部分位于北部地区的油罐和一半的油罐罐区的中心部分。一股的黑色的有毒烟雾几乎笼罩CAPECO工厂6公里高,阻碍工厂这片区域的能见度。

美国化学安全风险调查委员会和联邦调查局负责调查此次石油泄漏事故。相信最初的源火与液位仪表的失效的一个钢容器确定为105号,这是停靠在圣胡安湾充满着汽油的泵的一艘船。

这是一个圆筒形储罐固定浮顶位于外部的储存罐区的东南部地区;它有一个直径45米,高18米。相信105年油罐的安全系统设备故障引发了一系列事件,导致了灾难。注意到一个几乎相同的触发效果也出现在英国的供油事故(供油重大事件调查委员会（2008;Batista-Abreu和戈2009)。

多余的液体槽最终被蒸发,从而形成一个不稳定的混合物在一个气态。动荡的气体是分散的，在该地区的石油工厂直到它达到点火的来源。燃料可以渗透在整个排水系统中,到达植物区东北部的废水处理的工厂。各种可能的来源的点火点起源成为调查的对象,其中,一种可能性是,在炼油厂荧光灯可能产生电火花,这足以点燃燃料蒸汽。大火迅速蔓延从点火来源通过燃料云朝更紧密的和最敏感的容器,产生爆炸。大火继续蔓延,同时生成新的火灾涉及其他油罐。最后,爆炸和火灾影响三十二座油罐,其中有二十一座油罐遭受重大损害或破坏。

钢储罐在火灾的作用下由于力学导致发生扭曲,重要的是有条件的信息在事故发生之前和期间,如燃料量控制,油罐区直接受到火灾的影响,和火源的位置等。

根据条件发现了油罐在巴亚蒙着火后的线索,有以下三组可以进行区别(Batista-Abreu和戈2011):(1)油罐没有固定屋顶后发生火灾;(2)油罐有固定屋顶后发生火灾(油罐在经历大型火灾后罐顶和高处的壳体由于暴露在大火中产生变形);(3)油罐没有固定屋顶倒塌,如因为高温导致材料融化人后导致火灾发生。

本文选址建模的第一组上面所提到的,即油罐没有一个固定的罐顶,和一些油罐被破坏的这样的例子，比如在巴亚蒙发生的大火。这些油罐表现出明显的垂直方向的曲率。有一个波浪的变形模式在圆柱壳的上部区域,但较低的区域几乎是不受干扰的。

计算模型

油罐的几何图形分析了研究对应于油罐受到的影响，根据2009年的巴亚蒙的火灾事故。工厂老板没有允许作者直接访问坦克,因为这个案子在诉讼和所有者是帮助不感兴趣像现在的学术调查。消防罐的尺寸因此估计使用信息从先前的任务中侦察(Godoy et al . 2002年),设计代码的API650(API 2007)是用于验证每个柜的壳壁厚度。

因为这项研究的兴趣主要是关注在热负载下壳屈曲引起火灾,一个结构(而不是热机的)模型。由于缺乏经验证据上的热行为下发生火灾,几个场景进行了关于在周长周围的厚度和温度分布。然而,作者承认有必要获得详细的实证壳的热行为的信息,包括温度分布。

建模的结构与简支条件底部和顶部自由边界条件。泊松分布被假定为0.30,价值的弹性模量,屈服应力和热膨胀系数被认为随温度改变如图7所示[欧洲标准化委员会(岑)2005]。在槽内液体压力的情况下,包含石油的密度为900 kg / m3。假定的屈服应力是250 MPa在环境温度下,和采用冯米塞斯屈服准则在所有情况下确定塑性的发生。

进行结构分析包括几何材料非线性引起的热作用,使用通用有限元程序包(有限元分析)。王(2002)发现,这是一个适当的方案评估结构的性能受到火灾的热行为。圆柱壳是离散的节点双弯曲四边形壳元素确定为S4R在有限元分析中,占有限膜损伤。基于融合研究,模型油罐打开顶部包含31560个元素。非线性的解决方案是实现通过里克(1979年里克)方法。温度增加,直到极限点达到平衡路径。

分析认为在结构自重和火灾的整个厚度平均温度和热梯度内。调查圆周区域受到火灾的影响,温度被认为是作用于一个区域的油罐在圆周方向余弦平方分布,见图8。采用有关温度分布的假设在这个问题上没有经验数据和模型，油罐火灾试图从一个特定的方向分析的方法,在这种情况下,预计位于子午线方向将有最高的昼夜,在油罐周围气温在逐步减少。其他模型的温度分布可以用,但是这似乎是一个合理的起点对壳屈曲响应。这个余弦平方分布以前受雇于刘等。(2008)。利用余弦平方模式获得的温度分布与温度模拟的结果相一致Landucci等(2009)圆柱形储罐在多米诺事件引发的火灾。

圆柱浮顶型油罐的反应

几个被摧毁的油罐在巴亚蒙火灾中没有一个固定的罐顶抑制顶部变形装置。考虑的具体罐几何分析的直径为33.57米,高12.77米,和11毫米的厚度,在2002年参观工厂期间时得到尺寸(戈等.2002年)。研究油罐的热屈曲特性,其次是研究整个厚度、热梯度的影响,油罐流体储存的水平。

浮顶型圆柱油罐的临界屈曲温度

基本模型作为参考认为一座油罐是空的,统一在竖直方向的温度分布和厚度和圆周方向余弦平方分布影响汽缸的周长的一半。

第一个油罐是受到均匀的温度分布,通过壳厚度(a - 1在图9)。计算结果显示大型径向和垂直位移在加热区屈曲发生在最大限度为500 lc的子午线的温度。结构可以容纳的昼夜温差相对较高,因为它是可塑的变形在顶部和底部只是限制边界条件。加热区经历了一个扩张,直到压力和变形的过渡区(加热区域和区域之间不受温度影响)诱导热屈曲。注意,变形发生在这种情况下得子午线 图九

的最高温度为90 l。

即使在一定温度下发生屈曲材料退化会变得迅速，但在圆柱体中的应力结构发展比较低;高应力集中在因为边界条件施加的限制。因此，几何非线性支配热屈曲。

在不同情况下进行了分析调查热梯度对整个厚度的影响,从常数温度通过厚度的组合平均温度梯度。实施热负荷的可能性使用有限元分析6.6包括建立平均气温值的中心壳厚度和热梯度之间的内部和外部的表面。非线性分析的有限元分析。允许一个人建立一个直系平均温度和热梯度之间的关系

结果显示在图10中,每个点对应一个结合温度和温度梯度热屈曲。结果显示的温度内外表面的壳和他们的平均值

油罐通过厚度(见高的热梯度病例A-8-A-10在图9)显示在自由边界局部屈曲在加热区,在油罐顶部产生屈曲。在油罐的情况下较低的热梯度(A-1-A-4病例在图9中),在其间的过渡区发生弯曲高温区域，膨胀区域不直接受温度的影响。 带较低的区域温度作为对高温区域的约束，结果采用了一种新的几何结构以满足平衡条件。

最后,对于一些失败场景,如例A-5-A-7在图9中,受畸形的配置同步的影响和温度梯度的影响。

总之，结构达到的其最高屈曲温度为约500℃并且对于低梯度水平发生（图10）。对于高于5000℃/ m的梯度，屈曲不再受平均温度控制，但受相互作用平均温度和热梯度的影响，对应于温度大约的外表面和内表面之间的差50℃。屈曲受到热梯度的强烈控制。值为9,000℃/m。

当屈曲发生时，结构的最大位移范围为壳体厚度的2至14倍，对于情况A-10和A-1。开发具有高热梯度

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