دانلود رایگان مقاله مطالعه عددی پاسخ دینامیکی و آنالیز شکست مخازن ذخیره سازی

چکیده

       عملکرد زیرساخت انرژی تحت شرایط بارگذاری شدید، به ویژه تحت شرایط انفجار ، با وجود احتمال کم رخ دادن چنین رویدادهایی از اهمیت زیادی برخوردار است. به دلیل عواقب فاجعه بار شکست بنیادی، بهبود مقاومت زیرساخت های انرژی در مقابل اثرات انفجار بسیار مهم است. از روش هم ارزی TNT برای شبیه سازی انفجار ابر بخار گاز نفت خام هنگام آنالیز پاسخ دینامیکی مخزن کروی تحت فشار بارهای انفجار خارجی استفاده شد. توزیع فشار در سطح یک مخزن ذخیره سازی کروی 1000 مترمکعبی بررسی شده است. پاسخ دینامیک مخزن، مانند توزیع تنش موثر، جابجایی سازه ای، حالات شکست و توزیع انرژی تحت بارهای انفجار مورد مطالعه قرار گرفت و نتایج شبیه سازی نشان داد که فشار منعکس شده بر روی مخزن کروی از استوا تا قطب های کره به تدریج کاهش می یابد. با این حال، اثرات بازتاب موج تلاطم بر روی ستون آشکار نیست. آسیب ساختاری در مخزن تحت بار انفجار شامل شکست جزئی پایه ای در نقطه ی عطف تغییر شکل و مرکز تنش معنی دار است، که می تواند در اتصال بین ستون و پوسته ی پایین کروی مشاهده شود. دلیل اصلی برای تغییر شکل قابل توجه و آسیب ساختاری ناشی از انرژی داخلی اولیه ست که مخزن از موج انفجار تلاطم به دست آورده است. مایع درون مخزن انرژی بارهای اصابت را جذب می کند و پاسخ را در مرحله اولیه آسیب پس از تاثیر انفجار کاهش می دهد.

مقدمه

        با حوزه گسترده ی فرآورده های نفتی ذخیره سازی، احتمال تصادفات ناشی از انفجار نفت و گاز قابل احتراق نیز افزایش می یابد. در طول چند سال گذشته، یک سری از آتش سوزی های مخازن نفتی و حوادث انفجار باعث تلفات و زیان های مالی زیادی شده است  (پرسون و لانرمارک 2004؛ عباسی و عباسی 2007؛ چانگ و لین 2006). بسیاری از انفجارها با  انفجار ابر بخار آغاز می شود که توسط خود فرآورده های نفتی آغاز می شود (لییس، 1996؛ لیب 2002). یک بار در انفجار گاز قابل اشتعال اتفاق افتاده در تاسیسات نفتی، کارخانجات مواد شیمیایی و یا مناطق ذخیره سازی، نه تنها ممکن است باعث آسیب جدی به مخزن نفت گردد، بلکه می تواند به یک واکنش زنجیره ای از انفجارها و فاجعه ی ثانویه منجر شود. بنابراین، تحقیقات درباره ی مکانیسم شکست و پاسخ دینامیکی مخازن ذخیره سازی نفت در معرض انفجار گاز قابل احتراق ضروری و لازم است.

         مخازن ذخیره سازی می توانند به شکل استوانه ای یا کروی باشند. مخازن ذخیره سازی کروی در درجه اول شامل سازه های با پشتیبانی ضعیف تر و سازه های پوسته کروی هستند، که جایگزین سازه های پشتیبانی اند. به طور خاص، شکل پوسته می توانی کروی، بیضوی و یا اشکی شکل باشد، که در این بین مخازن کروی به طور گسترده ای مورد استفاده هستند، چرا که برای همان حجم و ضخامت، مخازن کروی نیاز به حداقل مقدار فولاد داشته و حداقل منطقه را می پوشاند. 

         در طول پنج دهه گذشته، بسیاری از پژوهشگران رفتارهای دینامیکی (جیمز و رابا 1991؛ سزان و همکاران 2008؛ کرکماز و همکاران 2011؛ مسلمی و کیانوش 2012) و حالات شکست (ارابانا و همکاران 2009؛. دوغاگان و همکاران 2009؛ کیم و همکاران 2009) مخازن پر شده با مایع را مورد بررسی قرار داده اند، که عمدتا استوانه ای و مستطیلی شکل بودند و تحت تاثیر زمین لرزه قرار گرفته اند. پاسخ به اثرات زمین لرزه ای مخازن ذخیره مایع توسعه یافته عمدتا به دلیل اهمیت آن ها در صنعت پتروشیمی مطالعه قرار گرفته است. اثرات گردش مایع در مخازن کروی در برخی از مطالعات مورد بررسی قرار گرفته است (مک لور 1989؛مک لور و مک لور 1993؛ ایوانز و لینتون 1993). علاوه بر این، اخیرا دو مطالعه در مورد توسعه مدل ریاضی برای کمی سازی تاثیر عوامل گردش خطی در پاسخ دینامیکی مخازن مایع کروی یا استوانه ای افقی تحت تحریک زلزله ارائه شده است (کاراماناس و همکاران 2006؛ پاتکاس و کاراماناس2007). برای مورد خاص از رفتار دینامیکی مخازن کروی توسعه یافته تحت تحریک جانبی، تنها چند مقاله پیدا شد. به عنوان مثال، دروسوس و همکاران (2005) به طور عددی پاسخ لرزه ای مخزن ذخیره مایع کروی معمولی مجهز به سیستم مهاربندی چسبناک غیرخطی را مورد بررسی قرار دادند.

         با توجه به آنالیز دینامیکی مخازن ذخیره سازی تحت بار انفجار مطالعات متعددی با استفاده از روش تجربی و محاسباتی منتشر شده است. ژو و همکاران (2009) به بررسی ویژگی های پویای یک مخزن عمودی زیرزمینی در معرض اصابت انفجار پرداختند. یکی از نتیجه گیری های کلیدی این تحقیق این بود که روش بررسی لرزه نگاری تانک که بارهای لرزه ای در نظر گرفته شد، در مورد بارهای تاثیر انفجار صدق نمی کند. لو و همکاران (a2011،b2011)، لو و وانگ (2012) از یک دستگاه انفجار گاز قابل اشتعال برای تولید موج تلاطم انفجار پایدار با انفجار مخلوط متان و هوا استفاده نمودند، که قبلا در خط لوله ذخیره شده بود. دستگاه برای انجام آزمون-های تجربی به منظور مطالعه ویژگی های پاسخ دینامیک و مکانیزم شکست مخازن ذخیره بزرگ مقیاس تحت تاثیر بارهای انفجار مورد استفاده قرار گرفت. 

        تاکنون مطالعاتی درباره ی پاسخ  دینامیک و آنالیز شکست مخازن ذخیره سازی کروی تحت امواج تلاطم انفجار گاز قابل احتراق خارجی منتشر نشده است. از آنجا که آزمون های انفجار نمونه ی اولیه یا بزرگ مقیاس بسیار گران است، باید شبیه سازی های عددی به منظور بررسی قوانین میرایی و اثرات مخرب تلاطم انفجار گاز انجام گیرد، که به طراحی آینده از آزمون های تجربی کمک می کند. 

        این مطالعه شبیه سازی عددی به منظور بررسی پاسخ دینامیک و حالات شکست مخازن ذخیره سازی کروی تحت انفجار گاز قابل احتراق خارجی ارایه می دهد. نرم افزار المان محدود صریح و تجاری LS-DYNA (LSTC،2007) برای آنالیز ظرفیت مقاومت در برابر انفجار و جذب انرژی مخازن کروی استفاده شده است. روش هم ارزی TNT برای ایجاد مدل های بار هم ارزی انفجار ابر بخار نفت خام مورد استفاده قرار است. با توجه به اثر عوامل نرخ کرنش مواد، پاسخ دینامیک ومکانیزم شکست  مخازن تحت بارهای گاز انفجاری به منظور ارائه منابع علمی برای طراحی منطقی از چنین سازه هایی در آینده مورد مطالعه قرار گرفته است.

2. مدل المان محدود

2.1 کد المان محدود و روش ALE

       شبیه سازی عددی با استفاده از نرم افزار تجاری LS-DYNA انجام شد، که برمبنای روش های عددی صریح است و به طور گسترده ای برای آنالیز مشکلات مرتبط با تغییر شکل های بزرگ، پاسخ سازه به اصابت های سرعت بالا و بار انفجار و رفتار نرخ کرنش مواد استفاده شده است. حداقل سه روش برای چنین مشکلاتی وجود دارد: (1) فرمول لاگرانژ (2) فرمول اویلر؛ و (3) رابطه ی لاگرانژی-اویلری دلخواه (ALE)، که امکان دنبال کردن جریان های زیاد از مواد مختلف را بدون مواجهه با  مشکلات انحرافات عددی ، اغلب تجربه شده در فرمول لاگرانژ، می دهد. فرمول المان لاگرانژی-اویلری دلخواه (ALE)، یک روش عددی استاندارد برای حل مشکلات تغییر شکل های بزرگ دیده شده در شکل دهی فلزات ناشی از تاثیر سرعت بالا و یا بار انفجار است. مفهوم کلی فرمول ALE این است که یک دامنه ارجاعی دلخواه برای شرح حرکتی که متفاوت از مواد (لاگرانژی) و دامنه ی فضایی (اویلری) است تعریف شده است (LSTC 2007). 

         3 مورد از المان های استفاده شده در اینجا: (1) المان قلاب 160: یک المان دوگرهی میله ای است که تنها قادر به حمل بارهای محوری است؛ (2) المان قشری 163: یک المان پوسته مستطیل شکل 4 گرهی که می تواند لنگر خمشی و نیروی غشاء و هر دو بارهای عادی مجاز و درون سطحی را حمل کند؛ (3) المان جامد 164: یک المان جامد هشت گرهی مورد استفاده برای مدل سازی سه بعدی سازه هاست.

Abstract

        The performance of energy infrastructures under extreme loading conditions, especially for blast and impact conditions, is of great importance despite the low probability for such events to occur. Due to catastrophic consequences of structural failure, it is crucial to improve the resistance of energy infrastructures against the impact of blasts. A TNT equivalent method is used to simulate a petroleum gas vapor cloud explosion when analyzing the dynamic responses of a spherical tank under external blast loads. The pressure distribution on the surface of a 1000 m3 spherical storage tank is investigated. The dynamic responses of the tank, such as the distribution of effective stress, structural displacement, failure mode and energy distribution under the blast loads are studied and the simulation results reveal that the reflected pressure on the spherical tank decreases gradually from the equator to the poles of the sphere. However, the effects of the shock wave reflection are not so evident on the pillars. The structural damage of the tank subjected to blast loads included partial pillar failure from bending deformation and significant stress concentration, which can be observed in the joint between the pillar and the bottom of the spherical shell. The main reason for the remarkable deformation and structural damage is because of the initial internal energy that the tank obtained from the blast shock wave. The liquid in the tank absorbs the energy of impact loads and reduces the response at the initial stage of damage after the impact of the blast.

1. Introduction

        With the expanding scopes of storage of petroleum products, the possibility of accidents caused by petroleum combustible gas explosions also increases. During the past several years, a series of oil tank fires and explosion accidents caused great financial loss and casualties (Persson and Lonnermark, 2004; Abbasi and Abbasi, € 2007; Chang and Lin, 2006). Most of the explosions were triggered by the detonation of a vapor cloud, which was initiated by the petroleum products themselves (Lees, 1996; Lieb, 2002). Once a combustible gas explosion occurs in petroleum facilities, chemical plants or storage areas, it may not only cause serious damage to a single oil tank, but also can lead to a chain reaction of explosions and trigger a secondary disaster. Therefore, the investigation on the failure mechanism and dynamic response of oil storage tanks subjected to combustible gas explosions is important and necessary.

         Storage tanks can be cylindrical and spherical in shape. Spherical storage tanks primarily consist of the lower support structures and the spherical shell structures, which sit on support structures. Specifically, the shape of the shells can be spherical, elliptical, and teardrop-shaped, among which spherical tanks are the most widely used because for the same volume and thickness, spherical tanks use the minimum amount of steel and cover a minimum area.

         During the past five decades, many researchers have investigated the dynamic behaviors (James and Raba, 1991; Sezen et al., 2008; Korkmaz et al., 2011; Moslemi and Kianoush, 2012) and failure modes (Trebuna et al., 2009; Dogangun et al., 2009; Kim et al., 2009) of liquid-filled tanks, which were mostly cylindrical and rectangular, that had been subjected to earthquakes. The seismic responses of elevated liquid storage tanks are mainly studied because of their importance to the petrochemical industry. The effects of liquid sloshing in spherical containers have been investigated in some studies (McIver, 1989; McIver and McIver,Moreover, two recent studies presented the development of a mathematical model for quantifying the influence of the linear sloshing effects on the dynamic responses of horizontal cylindrical and spherical liquid tanks under earthquake excitation (Karamanos et al., 2006; Patkas and Karamanos, 2007). For the particular case of the dynamic behavior of elevated spherical tanks under lateral excitation, only a few works were found. For example, Drosos et al. (2005) numerically investigated the seismic response of a typical spherical liquid storage tank equipped with a nonlinear viscous bracing system.

         With regards to the dynamic analysis of storage tanks under blast loads, several studies have been published using computational and experimental methods. Zhou et al. (2009) investigated the dynamic characteristics of an underground vertical tank subjected to an explosion impact. One of the key conclusions of this work was that the tank seismic check method which considered seismic loads did not apply to explosion impact loads. Lu et al. (2011a, 2011b), Lu and Wang (2012) used a combustible gas detonation device to generate a stable detonation shock wave by exploding a methane/air mixture, which was stored in the pipeline beforehand. The device was used for conducting experimental tests to study the dynamic response characteristics and failure mechanisms of large-scale storage tanks under blast impact loads.

        So far, studies of dynamic response and failure analysis of spherical storage tanks under external combustible gas explosion shock waves have not been published yet. Since large scale or prototype explosion tests are very expensive, numerical simulations should be conducted in order to investigate attenuation laws and destructive effects of gas explosion shocks which will also assist the future design of experimental tests.

       The present study performs numerical simulations to investigate the dynamic responses and failure modes of spherical storage tanks under external combustible gas explosions. Commercial explicit finite element software LS-DYNA (LSTC, 2007) is employed to analyze the blast resistance and energy absorption capacities of the spherical storage tanks. A TNT equivalent method is used to establish equivalent load models for petroleum gas cloud explosions. Considering the effect of material strain rate effects, the dynamic response and failure mechanism of the tanks under gas blast loads are studied to provide scientific references for the rational design of such structures in the future.

2. Finite element model

2.1. Finite element code and ALE method

        The numerical simulation is carried out using the commercial software LS-DYNA, which is based on explicit numerical methods and has been widely employed to analyze the problems associated with large deformation, structure response to high velocity impact and blast load and strain rate behavior of materials. There are at least three approaches for such kind of problems: (1) Lagrangian formulation; (2) Eulerian formulation; and (3) arbitrary LagrangianeEulerian (ALE) formulation, which makes it possible to follow large flows of various materials without encountering numerical distortion problems often experienced in Lagrangian formulations. The Arbitrary LagrangianeEulerian (ALE) element formulation is a standard numerical approach for solving large deformation problems encountered in metal forming subjected to high-speed impact or blast loading. The general concept of the ALE formulation is that an arbitrary referential domain is defined for the description of motion that is different from the material (Lagrangian) and spatial (Eulerian) domains (LSTC, 2007).

       3 types of elements are used herein: (1) LINK160 element: a 2- nodes beam element which is only able to carry axial loads; (2) SHELL163 element: a 4-node rectangular shell element which can carry bending moment and membrane force and both in-plane and normal loads are permitted; (3) SOLID164 element: a 8-nodes solid element used for the 3-D modeling of structures.

چکیده

1. مقدمه

2. مدل المان محدود

2.1 کد المان محدود و روش ALE

2.2 مدل عددی برای مخازن کروی و منابع انفجاری

2.3 المان ها و شبکه بندی

2.4 مدل های مواد و معادله حالت

2.5 برآورد رابطه ی هم ارزی TNT مواد منفجره

2.5 اعتبار سنجی مدل انفجار

3. بحث و نتایج شبیه سازی

3.1 توزیع انفجار بارگذاری

3.2 تنش موثر

3.3 نتایج پاسخ جابجایی

3.4 آنالیز شکست

3.5 توزیع انرژی در مخزن

3.6 تاثیر سطح مایع در مخزن

4. نتیجه گیری

منابع

Abstract

1. Introduction

2. Finite element model

2.1. Finite element code and ALE method

2.2. Numerical model for spherical tanks and explosion source

2.3. Elements and meshing

2.4. Material models and equation of state

2.5. Estimation of the TNT equivalence of explosives

2.6. Validation of blast model

3. Simulation results and discussions

3.1. Blast loading distribution

3.2. Effective stress

3.3. Displacement response results

3.4. Failure analysis

3.5. Energy distribution in the tank

3.6. Influence of liquid level in the tank

4. Conclusions

References