爆炸环境下的储油罐安全评估方法及装置与流程

1.本技术涉及计算机领域，尤其涉及一种爆炸环境下的储油罐安全评估方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质。


背景技术：

2.化工园区在大量使用管道、储油罐等典型薄壁柱壳结构的同时，其相对集中的管理模式除带来一定的规模效应外，也导致了较高的风险水平，易引发储油罐区的多米诺效应，其中爆炸和火灾对储油罐、管道、建筑等承灾体的影响最大。储油罐爆炸可能使得附近储油罐罐体破坏失效，着火物料在防火提中蔓延形成池火，同时易燃、易爆、有毒的化工原料、过程料及成品的泄漏，大大提升了二次爆炸、火灾、环境污染等潜在次生灾害风险，严重威胁着公众的生命财产安全。因此，需要针对爆炸事故进行应急准备并对爆炸源附近的储油罐安全进行评估。
3.然而，在现有技术中，应急准备和对储油罐安全评估的针对性不强、精度较差。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的是提供一种爆炸环境下的储油罐安全评估方法、装置、计算机设备以及计算机可读存储介质，可以用于解决上文所述的问题。
5.本技术实施例的一个方面提供了一种爆炸环境下的储油罐安全评估方法，包括：确定爆炸类型和储油罐的自振周期；根据所述爆炸类型确定针对所述储油罐的爆炸冲击压力分析方式；根据所述爆炸冲击压力分析方式，模拟所述储油罐的迎爆面的超压载荷以及超压持续时间；根据所述自振周期和超压持续时间确定所述储油罐的损伤判定标准；将所述超压载荷加载到所述储油罐的三维有限元分析模型中，确定在不同填充度下所述储油罐的破坏程度达到预设临界值的临界时间，填充度表示所述储油罐中的液位；根据所述临界时间和所述损伤判定标准，确定在不同填充度下的结构破坏临界压力和结构破坏临界冲量；根据在不同填充度下的结构破坏临界压力和结构破坏临界冲量，确定所述储油罐的安全性。
6.可选地，还包括：以不同大小规格为单位，对所述储油罐的迎爆面分别进行网格划分；根据预设超压载荷和基于不同大小网格划分得到的多种迎爆面，确定各自在不同填充度下的罐壁径向位移；根据多种迎爆面各自在不同填充度下的罐壁径向位移，确定数值离散粗糙程度；将处于预设粗糙范围内的数值离散粗糙程度的对应大小规格，确定为参考大小网格；
以所述参考大小网格为基准进行修正，得到所述储油罐的迎爆面的目标大小网格。
7.可选地，所述根据所述爆炸类型确定针对所述储油罐的爆炸冲击压力分析模式，包括：若所述爆炸类型为蒸气云爆炸，则将数值模拟法作为所述爆炸冲击压力分析方式；若所述爆炸类型为固体爆炸或粉尘爆炸，则将经验法作为所述爆炸冲击压力分析方式。
8.可选地，所述根据所述爆炸冲击压力分析方式，模拟所述储油罐的迎爆面中超压载荷以及超压持续时间，包括：若所述爆炸冲击压力分析方式为所述数值模拟法，则数值模拟爆炸过程，输出爆炸超压曲线，所述爆炸超压曲线表示超压载荷和超压持续时间的关系；若所述爆炸冲击压力分析方式为所述经验法，则计算爆炸当量距离、确定双爆源间隔时间、角度、高度，进而根据预设状态方程计算爆炸超压曲线。
9.可选地，所述将所述超压载荷加载到所述储油罐的三维有限元分析模型中，确定在不同填充度下所述储油罐的破坏程度达到预设临界值的临界时间，包括：根据所述储油罐的结构特征、材料特征、锚固特征以及位于所述储油罐上的抗风结构特征，对所述储油罐的几何模型进行离散化处理，建立所述三维有限元分析模型；将所述超压载荷加载到所述三维有限元分析模型中，得到所述储油罐在各填充度下的破坏程度变化曲线，破坏程度变化曲线表示破坏程度和持续时间的关系；根据在各填充度下的破坏程度变化曲线，确定多个填充度各自对应的临界时间。
10.可选地，所述方法还包括：筛选没有达到所述预设临界值的工况；模拟所述工况的火灾热辐射通量和罐壁温度分布；根据所述储油罐的特征，选择将火灾热辐射通量或将初始温度分布加载到储油罐外表面；根据所述火灾热辐射通量或将初始温度分布，计算储油罐内表面的对流换热系数；其中，所述储油罐外表面的火灾热辐射通量或将初始温度分布、所述储油罐内表面的对流换热系数用于与所述超压载荷一起被加载到所述三维有限元分析模型中。
11.可选地，所述根据在不同填充度下的结构破坏临界压力和结构破坏临界冲量，确定所述储油罐的安全性，包括：根据不同填充度下的结构破坏临界压力和结构破坏临界冲量，确定所述储油罐在不同填充度下的安全变化特征；根据所述安全变化特征，确定所述储油罐的安全性的突然跳跃情况；根据所述突然跳跃情况，确定所述储油罐的目标安全填充度；根据所述目标安全填充度和所述储油罐中的储油量，确定是否对所述储油罐进行填充。
12.可选地，在所述爆炸类型为固体爆炸或粉尘爆炸时，还包括：
获取所述储油罐所在区域的3d图像信息，所述3d图像信息包括地形数据和地面承载物数据；根据所述3d图像信息，确定所述储油罐和爆炸源之间的目标区域；对所述目标区域进行网格划分得到多个网格，所述多个网格包括不同大小的多级网格，其中，各级网格的设置根据网格所在位置与所述目标坐标的方位而定；根据各网格中的地面数据和承载物数据，得到各网格的初始特征值；其中，所述地面数据包括用于标识地面类型的标签、属性描述信息；所述承载物数据包括承载物的类型标签、所述承载物的属性描述信息，所述承载物的属性描述信息包括所述承载物形状、大小、高度；其中，所述初始特征值通过将所述地面数据中各个信息的归一化值以及所述承载物数据中各个信息的归一化值输入到训练好的归一化模型中得到，所述归一化模型用于检测单个网格的拥塞指数；根据各网格的初始特征值和对应的级别，得到各网格的目标特征值；其中，每个级别对应一个不同的权重，目标特征值为相应网格的初始特征值与相应权重之积；将各网格的目标特征值进行拼合，得到目标拥塞特征数组；将所述目标拥塞特征数组、爆炸源的点火能量输入到已经训练好的爆轰预测模型中，得到爆轰概率。
13.本技术实施例的一个方面又提供了一种爆炸环境下的储油罐安全评估装置，包括：第一确定模块，用于确定爆炸类型和储油罐的自振周期；第二确定模块，用于根据所述爆炸类型确定针对所述储油罐的爆炸冲击压力分析方式；模拟模块，用于根据所述爆炸冲击压力分析方式，模拟所述储油罐的迎爆面的超压载荷以及超压持续时间；第三确定模块，用于根据所述自振周期和超压持续时间确定所述储油罐的损伤判定标准；第四确定模块，用于将所述超压载荷加载到所述储油罐的三维有限元分析模型中，确定在不同填充度下所述储油罐的破坏程度达到预设临界值的临界时间，填充度表示所述储油罐中的液位；第五确定模块，用于根据所述临界时间和所述损伤判定标准，确定在不同填充度下的结构破坏临界压力和结构破坏临界冲量；第六确定模块，用于根据在不同填充度下的结构破坏临界压力和结构破坏临界冲量，确定所述储油罐的安全性。
14.本技术实施例的一个方面又提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时用于实现如上述爆炸环境下的储油罐安全评估方法的步骤。
15.本技术实施例的一个方面又提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序可被至少一个处理器所执行，以使所述至少一个处理器执行如上述爆炸环境下的储油罐安全评估方法的步骤。
16.本技术实施例提供的爆炸环境下的储油罐安全评估方法、装置、计算机设备以及
计算机可读存储介质，可以至少包括以下优点：需根据不同爆炸类型，表征爆炸超压变化过程，基于储油罐自振周期和超压持续时间，选择合适的损伤标准，开展不同爆炸冲击波下储油罐的结构动力学响应，获得不同储油罐损伤判定标准，为储油罐结构受爆炸冲击波影响下的快速、准确的安全评估，针对性强。
附图说明
17.图1示意性示出了根据本技术实施例一的爆炸环境下的储油罐安全评估方法的流程图；图2示意性示出了根据本技术实施例二的爆炸环境下的储油罐安全评估装置的框图；图3示意性示出了根据本技术实施例三的适于实现爆炸环境下的储油罐安全评估方法的计算机设备的硬件架构示意图。
具体实施方式
18.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
19.需要说明的是，在本技术实施例中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本技术要求的保护范围之内。
20.在本技术的描述中，需要理解的是，步骤前的数字标号并不标识执行步骤的前后顺序，仅用于方便描述本技术及区别每一步骤，因此不能理解为对本技术的限制。
21.本技术涉及到的名词解释：立式储油罐（下称储油罐），是储存油品的大型容器，是石油库的主要设备。储油罐按材质可分金属油罐和非金属油罐；按所处位置可分地下油罐、半地下油罐和地上油罐；按安装形式可分立式储油罐、卧式储油罐；按形状可分圆柱形、方箱形和球形。
22.按储油罐的材料：储油罐工程所需材料分为罐体材料和附属设施材料。立式储油罐罐体材料可按抗拉屈服强度或抗拉标准强度分为低强钢和高强钢，高强钢多用于5000m3以上储油罐；附属设施（包括抗风圈梁、锁口、盘梯、护栏等）均采用强度较低的普通碳素结构钢，其余配件、附件则根据不同的用途采用其他材质，制造罐体常用的国产钢材有20、20r、16mn、16mnr、以及q235系列等。
23.本技术提供一种在爆炸环境下的储油罐安全评估方法，根据不同爆炸类型，表征爆炸冲击波变化过程，然后基于储油罐自振周期和冲击波正相持续时间，选择合适的损伤标准，开展不同爆炸冲击波下储油罐的结构动力学响应过程，最终获得不同爆炸类型下的储油罐损伤判定临界标准。下面将提供若干个实施例说明。
24.实施例一本实施例所述的方法可以以代码形式运行在计算机设备10000中。
25.如图1所示，该爆炸环境下的储油罐安全评估方法可以包括步骤s100~s112，其中：步骤s100：确定爆炸类型和储油罐的自振周期。
26.具体的，可以通过如下公式计算自振周期：具体的，可以通过如下公式计算自振周期：为储油罐与储液耦连振动基本自振周期（秒），为油罐内半径（米）,为油罐设计最高液位（米），为罐壁距底板1/3高度处的有效厚度（米），为耦连振动周期系数。
27.所述爆炸类型可以为蒸气云爆炸、固体爆炸、粉尘爆炸。不同爆炸类型，对应不同的爆炸冲击波载荷形式及动力学响应，对应不同且具有可操作性的安全评估方法。
28.步骤s102：根据所述爆炸类型确定针对所述储油罐的爆炸冲击压力分析方式。
29.（1）若所述爆炸类型为蒸气云爆炸，则将数值模拟法作为所述爆炸冲击压力分析方式。
30.（2）若所述爆炸类型为固体爆炸或粉尘爆炸，则将经验法作为所述爆炸冲击压力分析方式。
31.其中，数值模拟法能够获得准确的爆炸超压数据，一般难以进行流固耦合计算。经验公式方法可以包括tnt当量法、tno多能法、baker-strehlow法等。基于不同的爆炸类型选择不同爆炸冲击压力分析方法，可以提供快速准确的分析评估。
32.步骤s104：根据所述爆炸冲击压力分析方式，模拟所述储油罐的迎爆面的超压载荷以及超压持续时间。
33.迎爆面在超压下会发生变形，其涉及到储油罐几何与材料的空间随机性。不同于空间均匀载荷，本实施例中的储油罐为圆筒形，且罐壁为曲面，不同处的超压载荷体现出空间分布规律，因此通过数值离散的粗糙程度直接引入几何误差。各网格既不能太粗，以免无法反映变形模式，也不能太细，以免结构过于完美，导致无法反映薄壁结构的屈曲模式。
34.为此，针对网格的大小设置，可以通过如下步骤实现：以不同大小规格为单位，对所述储油罐的迎爆面分别进行网格划分；根据预设超压载荷和基于不同大小网格划分得到的多种迎爆面，确定各自在不同填充度下的罐壁径向位移；根据多种迎爆面各自在不同填充度下的罐壁径向位移，确定数值离散粗糙程度；将处于预设粗糙范围内的数值离散粗糙程度的对应大小规格，确定为参考大小网格；以所述参考大小网格为基准进行修正，得到所述储油罐的迎爆面的目标大小网格。
35.数值离散误差过小则无法反映结构的空间随机性，变相高估了储油罐的抗压能力。误差过大则导致收敛性较差。为避免收敛性问题及体现空间随机性，且能够精确反映变形，处于预设粗糙范围内的数值离散粗糙程度的对应大小规格，确定为参考大小网格，并以参考大小网格为基准进一步修正（细粒度），确定目标大小网格。
36.在示例性的实施例中，步骤s104“根据所述爆炸冲击压力分析方式，模拟所述储油罐的迎爆面的超压载荷以及超压持续时间”可以通过如下步骤实现：（1）若所述爆炸冲击压力分析方式为所述数值模拟法，则数值模拟爆炸过程，输出
爆炸超压曲线，所述爆炸超压曲线表示超压载荷和超压持续时间的关系。
37.蒸气云爆炸时，因爆炸物弥散在场空间中，不可简化为点爆炸源，因此使用平面波来考虑气体爆炸超压较为合适，迎爆面上的空间压力分布不均匀性可用以下方程表示：其中，是单个迎爆面单元上受到的爆炸超压，是单元法向与全局坐标间的夹角。
38.（2）若所述爆炸冲击压力分析方式为所述经验法，则计算爆炸当量距离、确定双爆源间隔时间、角度、高度，进而可以根据预设状态方程计算爆炸超压曲线。
39.例如：决定爆炸超压的两个参数是爆炸当量和测点距离，可根据上述两个参数定义爆炸当量距离z：其中，r为测点与爆炸点之间的距离，w为等效tnt当量。
40.接着，根据预设设定的爆炸当量距离z与超压之间的关系，得到超压载荷。
41.上述结果无法体现爆炸冲击波的作用时间和过程，因此需使用预设状态方程来进行超压表征。如采用jwl状态方程描述爆轰过程压力和内能及相对体积的关系。
42.步骤s106：根据所述自振周期和超压持续时间确定所述储油罐的损伤判定标准。
43.爆炸超压的正相持续时间影响因素较多，如爆炸物物质类型、体积、浓度、爆炸波传播速度、超压大小、测点位置等，大当量tnt爆炸、大吨位危险化学品爆炸、燃油气爆炸、核爆炸等爆炸的冲击波持时较长，可到100毫秒以上，甚至几百毫秒。例如，在测试中得出：气云体积越大，爆炸超压正相持续时间越长，1立方米的气云爆炸时，峰值超压约0.1kpa，正相持续时间约0.1s，27立方米的气云爆炸时，峰值超压约2.7kpa，正相持续时间约0.3秒。针对汽油储油罐泄漏爆炸模拟，爆炸点50m外的超压峰值约为50kpa，正相持续时间约为0.3秒。
44.因此，若要获得爆炸载荷下的储油罐响应规律和损伤判定临界标准，需根据不同爆炸类型，表征爆炸超压变化过程，基于储油罐自振周期和正相持续时间，选择合适的损伤标准，开展不同爆炸冲击波下储油罐的结构动力学响应过程，最终获得不同爆炸类型下的储油罐损伤判定标准。
45.损伤判定标准可以分为超压标准、冲量标准、超压-冲量标准。
46.若超压持续时间大于或等于10*自振周期，则采用超压标准；若超压持续时间小于或等于1/4*自振周期，则采用冲量标准；若超压持续时间在10*自振周期以及于1/4*自振周期之间，则采用超量-冲压标准。
47.超压标准即将爆炸超压的峰值作为判断标准，适用于快速判断。冲量标准将爆炸超压累计的冲量作为判断标准，无论作用时间多长都不可能使结果出现损坏。超压-冲量标准综合爆炸超压和冲量，二者同时满足临界条件时，才会被破坏。
48.步骤s108：将所述超压载荷加载到所述储油罐的三维有限元分析模型中，确定在不同填充度下所述储油罐的破坏程度达到预设临界值的临界时间，填充度表示所述储油罐
中的液位。
49.三维有限元分析模型在节点处连接、仅靠节点传力、仅在节点处受约束的单元组合体。具体的：1、选择网格种类及定义分析类型。2、添加材料属性：材料属性可以从材料库中选择，它不并考虑缺陷和表面条件等因素，与几何模型相比，它有更多的不确定性。3、施加约束：定义约束是最容易产生误差的地方。4、输入超压载荷，确定爆炸超压的大小、分布、时间依赖关系。通过上述建模可以获取力学响应。
50.在可选的实施例中，步骤s108可以通过如下步骤实现：（1）根据所述储油罐的结构特征、材料特征、锚固特征以及位于所述储油罐上的抗风结构特征，对所述储油罐的几何模型进行离散化处理，建立所述三维有限元分析模型；（2）将所述超压载荷加载到所述三维有限元分析模型中，得到所述储油罐在各填充度下的破坏程度变化曲线，破坏程度变化曲线表示破坏程度和持续时间的关系；（2）根据在各填充度下的破坏程度变化曲线，确定多个填充度各自对应的临界时间。
51.结构特征，可以包括形状、壁厚、大小等；材料特征，可以包括材料类别、材料特性等；锚固特征，可以包括各位置的锚固，如底部锚固等；抗风结构特征，可以包括是否有抗风圈等。
52.举例而言：考虑到爆炸冲击、火灾热辐射载荷和汽油储油罐的结构尺寸的随机性，实验成本与实验条件难以达到，本实施例采用数值模拟爆炸超压、热辐射致屈曲行为。本实施例对储油罐结构进行了合理的数值离散化处理，建立了超压和热辐射载荷下储油罐屈曲的动力学分析分析模型，结构动力学分析模型构建的主要步骤包括处理数值离散格式，选择储油罐结构材料本构模型，加载边界条件及爆炸环境下的超压载荷。
53.例如，若储油罐为薄壁结构，超压载荷作用下，罐壁屈曲的主要形式为连续的波纹状面外弯曲。因此要求单元算法具有平移和旋转自由度，以反映薄壁结构的弯曲特性。在本实施例中，可使用三维壳单元对储油罐的几何模型进行离散。在变形过程中，储油罐壁在失稳后进入后屈曲阶段，结构发生大变形，材料产生塑性应变。该过程可由冯-米塞斯屈服标准与双线性塑性流动标准描述。若储油罐的底部被锚固，锚固条件可等效为约束底部节点的平动与转动自由度，提供边界条件。
54.另外，储油罐内部液体在重力作用下会压迫罐壁，使罐壁产生内应力，该内应力可能会改变罐体的受力分布和屈曲性质，因此需进行不同填充度下的储油罐屈曲分析。填充物所造成的压力可使用如下公式进行计算：；其中是罐壁所受压力，是内充液体密度，是重力加速度，是内充液体高度。可以看到，压力是高度的函数，在储油罐截面积不变的情况下，参数代表了储油罐的填充度：；其中代表填充度，代表储油罐高度。结合上述公式，可得：。
55.储油罐的尺寸较大，材料密度高，自重大，且重力产生的结构内应力也会影响结构的屈曲性质，因此仿真分析中需考虑重力的影响。结构分析中，为避免不必要的应力震荡，可将重力压缓慢加载至恒定值，拉应力会抑制屈曲行为，压应力会导致屈曲行为，在不同填充度工况下，罐壁的内应力分布是比较复杂的，这难以利用理论计算得到储油罐临界风压的解析解，因此需借助数值方法进行求解。
56.最后：加载到建立的三维有限元分析模型进行动力学响应分析，研究储油罐在不同填充度下的安全性。
57.步骤s110：根据所述临界时间和所述损伤判定标准，确定在不同填充度下的结构破坏临界压力和结构破坏临界冲量。
58.储油罐在爆炸冲击载荷作用下，结构材料先是出现弹性应变，随后进入塑性，进而导致屈曲，即材料力学性能弱化，结构永久变形；若继续施加载荷，则结构材料彻底损坏，储油罐破裂和可燃物泄漏。所述临界时间通过方式得到：某子区域von mises应力超过材料屈服强度，最大径向位移大于预设值，或等效塑性应变出现突变。
59.步骤s112：根据在不同填充度下的结构破坏临界压力和结构破坏临界冲量，确定所述储油罐的安全性。
60.在可选的实施例中，为了提高储油罐在爆炸环境下的安全性，防止灾害的蔓延，上述步骤s112可以通过如下步骤实现：（1）根据不同填充度下的结构破坏临界压力和结构破坏临界冲量，确定所述储油罐在不同填充度下的安全变化特征；（2）根据所述安全变化特征，确定所述储油罐的安全性的突然跳跃情况；（3）根据所述突然跳跃情况，确定所述储油罐的目标安全填充度；（4）根据所述目标安全填充度和所述储油罐中的储油量，确定是否对所述储油罐进行填充。
61.在针对某个储油罐3秒的仿真实验操作中得出：不同填充度下，储油罐的动力响应是不一样的。填充度为0%时，储油罐仅靠罐壁本身的刚度抵抗爆炸超压，在爆炸超压水平很低的情况下，储油罐就开始发生动力屈曲和塑性变形；1.380s时，罐壁的波纹状变形，此时还没有塑性应变产生，罐体处于弹性屈曲范围内；1.790s时，罐壁达到最大径向变形，能够观察到明显的整体变形和局部波纹状塑性应变；3.0s时完全卸载，罐壁有非常明显的残余变形，此时结构实际已经失去承载能力。填充度为40%时，罐壁在1.385s前均为弹性变形；1.695s时，罐壁达到最大径向变形，能够观察到明显的整体变形和局部波纹状塑性应变，但变形程度较0%填充度要小；3.0s时完全卸载，罐壁有非常明显的残余变形，此时结构实际已经失去承载能力。填充度80%时，可以看到罐体的抗变形能力得到了极大加强，1.415s前没有观察到明显的塑性行为；罐壁在1.535s达到最大变形，但变形程度明显小于填充度低的罐体；3.0s时完全卸载，罐壁上部残留有明显的塑性大变形。
62.蒸气云爆炸冲击波正相持续时间约200-700s，需使用超压-冲量标准来判定储油罐损伤情况，给出了本算例蒸气云爆炸冲击载荷下的储油罐损伤临界压力和临界冲量。对比有无抗风圈的情况，有抗风圈的储油罐明显临界压力和临界冲量都要大于无抗风圈储油罐，可见抗风圈能够明显提高储油罐的抗冲击波能力。对比不同填充度，有抗风圈填充度70%以下时，无论是储油罐结构损伤的临界压力或者临界冲量，均比较平稳，临界压力约14-15kpa，临界冲量约1400-1500kn*s，而当填充度超过70%以上时，储油罐损坏的临界压力迅速提高60%，临界冲量迅速提高40%以上，极大的提高了储油罐的稳定性；无填充度时，当填充度小于70%，临界压力和临界冲量均缓慢上升，而填充度超过70%时，临界压力和冲量同样迅速上升。因此可以设置该储油罐的最小填充度为70％。
63.使用经验法得出：超压正相持续时间不超过50s，需使用冲量标准来判定储油罐损伤情况，冲量大约60-80kn*s，远小于蒸气云爆炸下的临界冲量，这是因为爆炸冲击波压力虽然较高，但其作用时间非常短，甚至可能低于10ms，因此累计的冲量比较低就足以使得储
油罐破坏。对比不同填充度，当储油罐填充度小于50%时，储油罐破坏临界冲量变化不大，而超过50%填充度时，临界冲量迅速增大，填充度为80%相较50%，临界冲量增加35%，提高了储油罐稳定性。
64.以下提供部分可选的实施例，以进一步优化本技术方案。
65.在可选的实施例中，所述方法还包括：筛选没有达到所述预设临界值的工况；模拟所述工况的火灾热辐射通量和罐壁温度分布；根据所述储油罐的特征，选择将火灾热辐射通量或将初始温度分布加载到储油罐外表面；根据所述火灾热辐射通量或将初始温度分布，计算储油罐内表面的对流换热系数；其中，所述储油罐外表面的火灾热辐射通量或将初始温度分布、所述储油罐内表面的对流换热系数用于与所述超压载荷一起被加载到所述三维有限元分析模型中。需要说明的是，所述工况是指没有达到所述预设临界值的迎爆面。
66.具体而言：爆炸会引发油气泄漏扩散蔓延，形成池火灾，导致相邻储油罐结构材料弱化，加速储油罐结构屈曲、破裂。本发明人认为实际上火灾大部分为流淌火，或者规则形状不均匀的油池火，使用圆形油池火来计算储油罐壁面的火灾热辐射通量并不准确，因此可以根据研究目标来选择加载热辐射通量或者直接在储油罐表面加载初始温度分布。储油罐外表面受热，向内部液体传热的主要方式是热对流。
67.储油罐的温度分布如下：其中是该点到迎爆面中心线的角度，迎爆面中心线的角度为0，为储油罐受热辐射影响的最大角度，为空气温度，为火灾到达稳定状态后，0度角的最大温度。
68.对流换热系数通过如下公式确定：其中n为努塞尔数，h为对流换热系数，l为特征长度，k为热传导系数，g为格拉晓夫数，p为普朗特数，c取0.59，取0.25。
69.例如，针对某个储油罐得出：热辐射与爆炸载荷耦合作用下，储油罐区发生池火灾时，储油罐表面热辐射波动较大，储油罐表面最大热辐射通量约32kw/m2，平均最大热辐射通量约24kw/m2，故将24kw/m2和32kw/m2作为变量。储油罐迎火外表面施加热辐射载荷，内表面施加热对流条件。温区的材料热膨胀程度更大，罐壁材料沿周向受压，而低温区域的材料膨胀程度低，对高温区域的材料有面内和面外的约束作用。高温区域的材料热膨胀与低温区域的材料约束作用的共同影响下，罐壁易产生局部屈曲。
70.选取带有抗风圈、填充度为80%的储油罐进行分析，热辐射通量分别加载100、200、300、400秒后，立刻加载爆炸超压。热辐射通量加载100、200、300、400秒时，储油罐材料的热传导系数随温度变化，以及内部液体对流换热系数随温度变化的影响，储油罐升温速率随温度升高逐渐放缓。储油罐的抗爆性能，受热100s后再受爆炸载荷作用，储油罐的临界屈曲压力有所提升，受热200s时，储油罐临界屈曲压力水平开始下降，但仍大于不受热时的水
平，继续受热，储油罐的临界屈曲压力迅速下降并开始低于不加热时的压力水平，32kw/m2加热400s后，储油罐破坏临界压力下降约40%。注意到材料的弹性模量、屈服强度随温度升高而降低，但切线模量在16℃至300℃时随温度升高而增大，300℃以后随温度升高而减小，这说明在热辐射和爆炸超压耦合作用过程中，材料的切线模量可能对储油罐抗爆能力有显著影响。而32kw/m2的载荷水平下，储油罐的临界屈曲压力明显低于24kw/m2工况，即温度对储油罐的抗爆能力有明显的减弱作用。
71.在可选的实施例中，在所述爆炸类型为固体爆炸或粉尘爆炸时，所述方法还可以包括：获取所述储油罐所在区域的3d图像信息，所述3d图像信息包括地形数据和地面承载物数据；根据所述3d图像信息，确定所述储油罐和爆炸源之间的目标区域；对所述目标区域进行网格划分得到多个网格，所述多个网格包括不同大小的多级网格，其中，各级网格的设置根据网格所在位置与所述目标坐标的方位而定；根据各网格中的地面数据和承载物数据，得到各网格的初始特征值；其中，所述地面数据包括用于标识地面类型的标签、属性描述信息；所述承载物数据包括承载物的类型标签、所述承载物的属性描述信息，所述承载物的属性描述信息包括所述承载物形状、大小、高度；其中，所述初始特征值通过将所述地面数据中各个信息的归一化值以及所述承载物数据中各个信息的归一化值输入到训练好的归一化模型中得到，所述归一化模型用于检测单个网格的拥塞指数；根据各网格的初始特征值和对应的级别，得到各网格的目标特征值；其中，每个级别对应一个不同的权重，目标特征值为相应网格的初始特征值与相应权重之积；将各网格的目标特征值进行拼合，得到目标拥塞特征数组；将所述目标拥塞特征数组、爆炸源的点火能量输入到已经训练好的爆轰预测模型中，得到爆轰概率。
72.其中，地形数据是能够表示地表面高低起伏状态的数据，即具有高程信息的数据。在本实施例中，描述信息可以包括类型（如河流、海岸、湖岸等）、高低、坡度。
73.其中，地面承载物数据可以包括类型（树木、房屋、草地等）、各类承载物的形状、密度、大小、高低等。
74.大部分情况下，火焰以爆燃形式传播，但在特定条件下，可能会发生爆轰，爆轰是一个伴有大量能量释放的化学反应传输过程。反应区前沿为一以超声速运动的激波，称为爆轰波，爆轰波扫过后，介质成为高温高压的爆轰产物，爆轰可以是在蒸气云被点燃初始就产生，也可以是由爆燃现象转变而来。在油气储存区中，更多的是发生爆燃到爆轰转变的现象，这是蒸气云爆炸引发的次生危害。当火焰前锋通过拥塞区域并到达一定的速度时，爆燃转爆轰的情况就会发生。有一些因素对爆轰的开始和爆燃到爆轰的转换产生影响，包括点火能量、障碍物的限制或拥塞度、湍流等因素。产生爆轰的点火源能量比爆燃的更高，产生爆轰的点火能接近106j，如放电（闪电）、高能不稳定物质（雷管或tnt）、泵房或发电机房内部爆炸，而产生爆燃的点火能可以低至10-4j；障碍物的限制或拥塞度同样对爆轰产生影响，在油气储存区的设备设施布置密集区、树木集中区、地形狭缝区等容易发生爆燃转爆轰的现象。在极端情况下，湍流可以充当一个驱动因素，导致火焰传播模式从爆燃突变到爆轰，该情况下火焰传播的速度超过声速（2-5倍声速），一旦超过声速，湍流不再需要去维持本身的传播速度，意味着气云内部畅通部分或静止可燃部分也可能会参与到爆炸中。蒸气云爆轰产生的超压可以达到几十个大气压，所产生的破坏力远远超过爆燃现象。可燃蒸气云爆炸前后的反应物和产物都可认为是理想气体。
75.不同的地形数据和承载物数据，会对是否产生爆轰产生一定的影响。因此，先确定可能会对爆轰产生影响的目标区域，然后对目标区域进行网络划分，不同网络所对应地方的地形和承载物以及与储油罐对应的距离和方位不同，对爆轰的影响不同，因此对各网格分级。各级网格的设置根据网格所在位置与所述目标坐标的距离和方位而定。继而，根据各网格中的地面数据和承载物数据，得到各网格的初始特征值。需要说明的是，该初始特征值可以根据预先确定规则得到，也可以通过训练好的回归模型得到，本实施例不做限定。之后，根据各网格的初始特征值和对应的级别，得到各网格的目标特征值。级别越高，其对爆轰的影响权重就不同，为了精确评估，因此对初始特征值转换为目标特征值。这些目标特征值、点火能量等可以用于输入到另一训练好的预测模型（如回归模型、神经网络模型等）中，得到爆轰概率/爆轰程度。
76.本实施例，主要结论如下：（1）爆炸超压作用下，汽油储油罐的结构响应是瞬态非线性的，伴随有结构构件的大位移与大旋转；爆炸超压能够引起结构的动态屈曲行为，即包含了弹性屈曲段，也包含了材料塑性变形（后屈曲）阶段。
77.（2）不同爆炸类型，其冲击波超压正相持续时间不同，根据设备自振周期，需建立的储油罐结构损坏判定标准不同，如蒸气云爆炸一般超压正相时间约0.1s-2s，应建立超压-冲量标准;而固体爆炸、粉尘爆炸一般超压正相时间不到0.05s，应建立冲量标准。
78.（3）对于蒸气云爆炸，储油罐填充度低于70%时，储油罐的临界屈曲压力和临界冲量基本不随填充度变化，超过70%后，临界屈曲压力和临界冲量迅速提高60%和40%；对于固体爆炸，当储油罐填充度小于50%时，储油罐破坏临界冲量变化不大，而超过50%填充度时，临界冲量迅速增大，填充度80%相较50%，临界冲量增加35%。因此，从提高抗爆能力的角度，应始终保持储油罐的填充度大于70%。
79.（4）热辐射与爆炸耦合分析中，可以看到储油罐的抗爆能力不仅取决于材料的弹性模量与屈服强度，还与切线模量密切相关。总体而言，储油罐温度升高，其抗爆能力会减弱，在24kw/m2和32kw/m2热辐射作用400s后，储油罐破坏临界压力分别下降26%和40%。
80.另外，本发明人发现迎爆面不同子区域的受到的冲击波之间会有一定的相互影响，因此在所述爆炸类型为蒸气云爆炸时，所述方法还包括：基于爆炸源的位置、高度和各子区域的空间坐标，得到各子区域对应的冲击波速度；基于各子区域的空间坐标、冲击波速度，得到各子区域与其他子区域之间的空间相关系数；根据各子区域与其他子区域之间的空间相关系数，得到各子区域的互动功率频谱；根据各子区域的冲击波互动功率频谱，得到各子区域的分解矩阵；根据各子区域的分解矩阵，得到各子区域的相位；及根据各子区域的相位以及分解矩阵，得到所述多个子区域各自的冲击波速度时程；根据所述多个子区域各自的冲击波速度时程和各个子区域的预设压力系数，得到各子区域的冲击波超压时程，以用于被加载到所述三维有限元分析模型中。下面具体介绍该实施例：各子区域之间的空间相关系数计算如下：以子区域a和子区域b之间的冲击波的空间相关系数为例，可以通过如下计算公式得到：
其中，表示a、b之间的空间相关系数，、、、是a、b的空间坐标，、为预先设定的衰减系数，为各自对应的冲击波速度，w为冲击波频率。不同空间点的冲击波之间存在相位差，距离越远则同时达到最大值的可能性越小。通过上述空间相关系数可以得到子区域a、b之间的冲击波相互影响程度。
81.根据各子区域与其他子区域之间的空间相关系数，得到各子区域的冲击波互动功率频谱。
82.继续以子区域a和子区域b为例，它们二者的互动功率频谱频谱：其中，为a、b各自的功率频谱，为二者的的空间相关系数。
83.其中，功率频谱的计算方式可以为：其中，为目标冲击波速度，，根据地面粗糙度而定。
84.根据各子区域的冲击波互动，得到各子区域的分解矩阵。
85.其中，m子子区域的总个数，为各子区域互动功率频谱的分解矩阵。
86.其中，为双索引圆频率，可以为通过以下公式计算：其中，；为离散频率点数；，为截断频率，为要模拟的冲击波时程长度，。
87.根据各子区域的分解矩阵，得到各子区域的相位。
88.为的相位，其表达式为虚部与实部之比的正切函数：根据各子区域的相位以及分解矩阵，得到所述多个子区域各自的冲击波时程。模拟冲击波就是要生成一个既满足一定的随机性又满足指定特征谱的冲击波时程曲线。具体的：其中，；为均匀地分布于区间的随机相位。
89.通过上述方式可以以较低计算量获取具有空间相关性的各子区域的精确冲击波
时程。
90.实施例二图2示意性示出了根据本技术实施例二的爆炸环境下的储油罐安全评估装置的框图。该爆炸环境下的储油罐安全评估装置可以被分割成一个或多个程序模块，一个或者多个程序模块被存储于存储介质中，并由一个或多个处理器所执行，以完成本技术实施例。本技术实施例所称的程序模块是指能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，以下描述将具体介绍本实施例中各程序模块的功能。如图2所示，该爆炸环境下的储油罐安全评估装置200可以包括第一确定模块210、第二确定模块220、模拟模块230、第三确定模块240、第四确定模块250、第五确定模块260、第六确定模块270，其中：第一确定模块210，用于确定爆炸类型和储油罐的自振周期；第二确定模块220，用于根据所述爆炸类型确定针对所述储油罐的爆炸冲击压力分析方式；模拟模块230，用于根据所述爆炸冲击压力分析方式，模拟所述储油罐的迎爆面的超压载荷以及超压持续时间；第三确定模块240，用于根据所述自振周期和超压持续时间确定所述储油罐的损伤判定标准；第四确定模块250，用于将超压载荷加载到所述储油罐的三维有限元分析模型中，确定在不同填充度下所述储油罐的破坏程度达到预设临界值的临界时间，填充度表示所述储油罐中的液位；第五确定模块260，用于根据所述临界时间和所述损伤判定标准，确定在不同填充度下的结构破坏临界压力和结构破坏临界冲量；第六确定模块270，用于根据在不同填充度下的结构破坏临界压力和结构破坏临界冲量，确定所述储油罐的安全性。
91.在可选的实施例中，所述装置还包括划分模块，用于：以不同大小规格为单位，对所述储油罐的迎爆面分别进行网格划分；根据预设超压载荷和基于不同大小网格划分得到的多种迎爆面，确定各自在不同填充度下的罐壁径向位移；根据多种迎爆面各自在不同填充度下的罐壁径向位移，确定数值离散粗糙程度；将处于预设粗糙范围内的数值离散粗糙程度的对应大小规格，确定为参考大小网格；以所述参考大小网格为基准进行修正，得到所述储油罐的迎爆面的目标大小网格。
92.在可选的实施例中，所述第二确定模块220还用于：若所述爆炸类型为蒸气云爆炸，则将数值模拟法作为所述爆炸冲击压力分析方式；若所述爆炸类型为固体爆炸或粉尘爆炸，则将经验法作为所述爆炸冲击压力分析方式。
93.在可选的实施例中，所述模拟模块230还用于：若所述爆炸冲击压力分析方式为所述数值模拟法，则数值模拟爆炸过程，输出各
爆炸超压曲线，所述爆炸超压曲线表示超压载荷和超压持续时间的关系；若所述爆炸冲击压力分析方式为所述经验法，则计算爆炸当量距离、确定双爆源间隔时间、角度、高度，进而根据预设状态方程计算爆炸超压曲线。
94.在可选的实施例中，所述第四确定模块250还用于：根据所述储油罐的结构特征、材料特征、锚固特征以及位于所述储油罐上的抗风结构特征，对所述储油罐的几何模型进行离散化处理，建立所述三维有限元分析模型；将所述超压载荷加载到所述三维有限元分析模型中，得到所述储油罐在各填充度下的破坏程度变化曲线，破坏程度变化曲线表示破坏程度和持续时间的关系；根据在各填充度下的破坏程度变化曲线，确定多个填充度各自对应的临界时间。
95.在可选的实施例中，所述装置还包括热辐射加载模块，用于：筛选没有达到所述预设临界值的工况；模拟所述工况的火灾热辐射通量和罐壁温度分布；根据所述储油罐的特征，选择将火灾热辐射通量或将初始温度分布加载到储油罐外表面；根据所述火灾热辐射通量或将初始温度分布，计算储油罐内表面的对流换热系数；其中，所述储油罐外表面的火灾热辐射通量或将初始温度分布、所述储油罐内表面的对流换热系数用于与所述超压载荷一起被加载到所述三维有限元分析模型中。
96.在可选的实施例中，所述第六确定模块270还用于：根据不同填充度下的结构破坏临界压力和结构破坏临界冲量，确定所述储油罐在不同填充度下的安全变化特征；根据所述安全变化特征，确定所述储油罐的安全性的突然跳跃情况；根据所述突然跳跃情况，确定所述储油罐的目标安全填充度；根据所述目标安全填充度和所述储油罐中的储油量，确定是否对所述储油罐进行填充。
97.在可选的实施例中，所述装置还包括预测模块，用于：在所述爆炸类型为固体爆炸或粉尘爆炸时：获取所述储油罐所在区域的3d图像信息，所述3d图像信息包括地形数据和地面承载物数据；根据所述3d图像信息，确定所述储油罐和爆炸源之间的目标区域；对所述目标区域进行网格划分得到多个网格，所述多个网格包括不同大小的多级网格，其中，各级网格的设置根据网格所在位置与所述目标坐标的方位而定；根据各网格中的地面数据和承载物数据，得到各网格的初始特征值；其中，所述地面数据包括用于标识地面类型的标签、属性描述信息；所述承载物数据包括承载物的类型标签、所述承载物的属性描述信息，所述承载物的属性描述信息包括所述承载物形状、大小、高度；其中，所述初始特征值通过将所述地面数据中各个信息的归一化值以及所述承载物数据中各个信息的归一化值输入到训练好的归一化模型中得到，所述归一化模型用于检测单个网格的拥塞指数；根据各网格的初始特征值和对应的级别，得到各网格的目标特征值；其中，每个级
别对应一个不同的权重，目标特征值为相应网格的初始特征值与相应权重之积；将各网格的目标特征值进行拼合，得到目标拥塞特征数组；将所述目标拥塞特征数组、爆炸源的点火能量输入到已经训练好的爆轰预测模型中，得到爆轰概率。
98.实施例三图3示意性示出了根据本技术实施例三的适于实现爆炸环境下的储油罐安全评估方法的计算机设备10000的硬件架构示意图。计算机设备10000是一种能够按照事先设定或者存储的指令，自动进行数值计算和/或信息处理的设备。例如，可以是机架式服务器、刀片式服务器、塔式服务器或机柜式服务器（包括独立的服务器，或者多个服务器所组成的服务器集群）等。如图3所示，计算机设备10000至少包括但不限于：可通过系统总线相互通信链接存储器10010、处理器10020、网络接口10030。其中：存储器10010至少包括一种类型的计算机可读存储介质，可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器（例如，sd或dx存储器等）、随机访问存储器（ram）、静态随机访问存储器（sram）、只读存储器（rom）、电可擦除可编程只读存储器（eeprom）、可编程只读存储器（prom）、磁性存储器、磁盘、光盘等。在一些实施例中，存储器10010可以是计算机设备10000的内部存储模块，例如该计算机设备10000的硬盘或内存。在另一些实施例中，存储器10010也可以是计算机设备10000的外部存储设备，例如该计算机设备10000上配备的插接式硬盘，智能存储卡（smart media card，简称为smc），安全数字（secure digital，简称为sd）卡，闪存卡（flash card）等。当然，存储器10010还可以既包括计算机设备10000的内部存储模块也包括其外部存储设备。本实施例中，存储器10010通常用于存储安装于计算机设备10000的操作系统和各类应用软件，例如爆炸环境下的储油罐安全评估方法的程序代码等。此外，存储器10010还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的各类数据。
99.处理器10020在一些实施例中可以是中央处理器（central processing unit，简称为cpu）、控制器、微控制器、微处理器、或其他数据处理芯片。该处理器10020通常用于控制计算机设备10000的总体操作，例如执行与计算机设备10000进行数据交互或者通信相关的控制和处理等。本实施例中，处理器10020用于运行存储器10010中存储的程序代码或者处理数据。
100.网络接口10030可包括无线网络接口或有线网络接口，该网络接口10030通常用于在计算机设备10000与其他计算机设备之间建立通信链接。例如，网络接口10030用于通过网络将计算机设备10000与外部用户终端相连，在计算机设备10000与外部用户终端之间的建立数据传输通道和通信链接等。网络可以是企业内部网（intranet）、互联网（internet）、全球移动通讯系统（global system of mobile communication，简称为gsm）、宽带码分多址（wideband code division multiple access，简称为wcdma）、4g网络、5g网络、蓝牙（bluetooth）、wi-fi等无线或有线网络。
101.需要指出的是，图3仅示出了具有部件10010-10030的计算机设备，但是应该理解的是，并不要求实施所有示出的部件，可以替代的实施更多或者更少的部件。
102.在本实施例中，存储于存储器10010中的爆炸环境下的储油罐安全评估方法还可以被分割为一个或者多个程序模块，并由一个或多个处理器（本实施例为处理器10020）所执行，以完成本技术实施例。
103.实施例四本技术还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现实施例一中的爆炸环境下的储油罐安全评估方法的步骤。
104.本实施例中，计算机可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器（例如，sd或dx存储器等）、随机访问存储器（ram）、静态随机访问存储器（sram）、只读存储器（rom）、电可擦除可编程只读存储器（eeprom）、可编程只读存储器（prom）、磁性存储器、磁盘、光盘等。在一些实施例中，计算机可读存储介质可以是计算机设备的内部存储单元，例如该计算机设备的硬盘或内存。在另一些实施例中，计算机可读存储介质也可以是计算机设备的外部存储设备，例如该计算机设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡（smart media card，简称为smc），安全数字（secure digital，简称为sd）卡，闪存卡（flash card）等。当然，计算机可读存储介质还可以既包括计算机设备的内部存储单元也包括其外部存储设备。本实施例中，计算机可读存储介质通常用于存储安装于计算机设备的操作系统和各类应用软件，例如实施例中爆炸环境下的储油罐安全评估方法的程序代码等。此外，计算机可读存储介质还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的各类数据。
105.显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本技术实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本技术实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。
106.需要说明的是，以上仅为本技术的优选实施例，并非因此限制本技术的专利保护范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。