20 萬m3LNG 儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)和施工淺析

上海液化天然氣有限責(zé)任公司 王 春 金 罕 施玉平

隨著LNG 行業(yè)的快速發(fā)展，儲(chǔ)罐大型化是大勢(shì)所趨。截至目前，國(guó)內(nèi)只有1 個(gè)20 萬m3及以上儲(chǔ)罐建成。上海液化天然氣有限責(zé)任公司會(huì)同相關(guān)設(shè)計(jì)單位開展儲(chǔ)罐大型化選型和建設(shè)方案等相關(guān)專題研究工作后，從公司儲(chǔ)罐一期擴(kuò)建工程的實(shí)際出發(fā)，經(jīng)過與16 萬m3LNG 儲(chǔ)罐的綜合比選，決定建設(shè)2 座20 萬m3LNG 儲(chǔ)罐。

公司LNG 一期擴(kuò)建項(xiàng)目的儲(chǔ)罐均采用落地承臺(tái)結(jié)構(gòu)，這在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較少，設(shè)計(jì)和施工上有不少獨(dú)特之處。本文對(duì)該大型儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)(包括基礎(chǔ)和底板設(shè)計(jì)、扶壁柱和預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)、穹頂設(shè)計(jì)、內(nèi)罐錨固帶設(shè)計(jì))和施工(包括基巖確認(rèn)和底板裂縫、穹頂施工方案)的特點(diǎn)、難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的分析。

1 設(shè)計(jì)

1.1 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)和底板設(shè)計(jì)

對(duì)于基礎(chǔ)直接坐落在基巖上的儲(chǔ)罐，和樁基礎(chǔ)一樣，存在埋深變化較大的不均勻地層情況。目前儲(chǔ)罐基礎(chǔ)研究計(jì)算常采用理論公式法和數(shù)值模擬法。理論公式法建立在太沙基等人創(chuàng)立的經(jīng)典土力學(xué)基礎(chǔ)上，其中引入了許多簡(jiǎn)化假定。這類方法具有簡(jiǎn)便、直觀、計(jì)算參數(shù)少且易于取得等優(yōu)點(diǎn)，因而在工程中得到廣泛應(yīng)用。數(shù)值模擬法，可以較全面地考慮土體的變形特性及其邊界條件，理論上較為嚴(yán)密。

上海20 萬m3LNG 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，也采用了理論公式法和數(shù)值模擬法相結(jié)合的方法。其中數(shù)值模擬法采用ANSYS 軟件中Mechanical APDL 模塊建立了儲(chǔ)罐整體三維模型。為了清晰展示儲(chǔ)罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建立了儲(chǔ)罐和基礎(chǔ)有限元模型，如圖1 所示。由圖可知，所建立的有限元模型幾乎包括了儲(chǔ)罐的各個(gè)部件，其中儲(chǔ)罐環(huán)形空間的珍珠巖保溫層以壓力載荷的形式進(jìn)行模擬，儲(chǔ)罐上面的操作平臺(tái)、消防平臺(tái)及吊頂以質(zhì)量單元形式體現(xiàn)，樁腿與土壤之間的交互作用用彈簧單元進(jìn)行模擬。外罐、基礎(chǔ)采用實(shí)體單元模擬，內(nèi)罐采用殼單元模擬，并根據(jù)此模型開展地基承載力計(jì)算、變形計(jì)算、抗滑移及穩(wěn)定性計(jì)算。

整個(gè)模型共采用了11 種單元類型，分別為實(shí)體、殼、梁、彈簧、彌散鋼筋單元、離散鋼筋單元、點(diǎn)接觸、面接觸、目標(biāo)單元、質(zhì)量單元和流體單元，除流體單元外，其它所有單元(梁?jiǎn)卧?、殼單元、?shí)體單元等)都是采用的帶中節(jié)點(diǎn)的高階單元。

圖1 儲(chǔ)罐和基礎(chǔ)有限元模型

LNG 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算模型，包括土壤和基礎(chǔ)底板之間、土壤和樁之間、樁和基礎(chǔ)底板之間的作用力的模擬。一般可以用不同或/和相同剛度的彈簧單元進(jìn)行模擬，如圖2 所示。

圖2 樁-土交互作用模擬

對(duì)于天然筏基，土壤和基礎(chǔ)底板直接接觸，根據(jù)上部荷載分布，在計(jì)算模型里把土壤對(duì)底板的支撐力轉(zhuǎn)換成一個(gè)個(gè)微彈簧，彈簧的剛度取決于它下面的土壤力學(xué)性能。計(jì)算的精度和準(zhǔn)確度和假定彈簧的剛度、數(shù)量及分布有關(guān)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的邊界條件和變形協(xié)調(diào)條件，選擇合適的計(jì)算參數(shù)和未知量，在保證計(jì)算精度的情況下簡(jiǎn)化該計(jì)算。豎向和水平向都應(yīng)設(shè)置不同的彈簧支承，以抵抗相應(yīng)的豎向荷載、水平荷載和彎距。需要注意的是現(xiàn)行的GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中未對(duì)基礎(chǔ)的抗滑移穩(wěn)定性做出明確規(guī)定，因此可參考GB 50135-2006《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)基礎(chǔ)的抗滑移穩(wěn)定性進(jìn)行校核。

上海20 萬m3LNG 儲(chǔ)罐采用坐地式承臺(tái)結(jié)構(gòu)，需配置底部加熱裝置。加熱系統(tǒng)安裝在混凝土底板防止底層土壤凍脹，承包商需提供包括電纜系統(tǒng)在內(nèi)的承臺(tái)加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠保持恒量或能自我調(diào)節(jié)。承臺(tái)加熱系統(tǒng)應(yīng)不少于2 套，若內(nèi)罐泄漏，承臺(tái)加熱系統(tǒng)應(yīng)能保證承臺(tái)下部土壤溫度不低于2 ℃。

1.2 預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

儲(chǔ)罐大型化導(dǎo)致外罐的直徑增大，這將導(dǎo)致罐壁單位截面所需的預(yù)應(yīng)力增大，預(yù)應(yīng)力鋼筋束的股數(shù)相應(yīng)增多。預(yù)應(yīng)力鋼筋作用的路徑變長(zhǎng)，預(yù)應(yīng)力總損失將增大。有效應(yīng)力從端部往中間部位逐漸減小，加劇了應(yīng)力的不平衡性；因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力損失增大，對(duì)于20 萬m3以上的LNG 儲(chǔ)罐，常規(guī)的4 扶壁柱方案可能不再適用，若考慮采用6 扶壁柱方案，因扶壁柱的增多相應(yīng)會(huì)增加搭接面，儲(chǔ)罐的整體性會(huì)有一定程度的下降；另外上海20 萬m3LNG 儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)持力層埋深較淺，基礎(chǔ)采用坐地式承臺(tái)結(jié)構(gòu)，地震評(píng)估報(bào)告中的地震加速度也略小于國(guó)家地震區(qū)域劃分(7 度0.1 g)，地震力較小。基于以上分析，并結(jié)合數(shù)值分析模擬手段，上海20 萬m3LNG 儲(chǔ)罐仍采用4 個(gè)扶壁柱的設(shè)計(jì)方案。

此外，LNG 儲(chǔ)罐豎向波紋管一般都布置在罐壁中心，水平波紋管布置在豎向波紋管外側(cè)。上海20萬m3LNG 儲(chǔ)罐根據(jù)超大型筒體結(jié)構(gòu)受力開裂的特點(diǎn)，豎向波紋管采用偏心布置方案，偏向于罐壁外側(cè)。豎向波紋管距罐壁內(nèi)側(cè)500 mm，外側(cè)300 mm，以有效控制罐壁外側(cè)應(yīng)力。后續(xù)施工也證明了該方案的有效性和合理性。

1.3 頂梁框架設(shè)計(jì)

儲(chǔ)罐大型化導(dǎo)致外罐的直徑增加，穹頂結(jié)構(gòu)受力隨著直徑增大會(huì)以平方或立方的關(guān)系增加。在設(shè)計(jì)和分析中要重點(diǎn)考慮薄殼結(jié)構(gòu)的屈曲失效，若把適用于小體積儲(chǔ)罐的計(jì)算假定用于超大型儲(chǔ)罐可能會(huì)嚴(yán)重失真。

圖3 20 萬m3LNG 儲(chǔ)罐穹頂結(jié)構(gòu)

頂梁框架的設(shè)計(jì)和分析是儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)和大型化最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，其力學(xué)分析包括應(yīng)力分析和穩(wěn)定性分析。業(yè)界對(duì)應(yīng)力分析的方法基本統(tǒng)一，但對(duì)于穩(wěn)定性分析，常規(guī)做法是線性分析。這種常規(guī)方法存在屈曲特征值衡量標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，計(jì)算的基本假定過多、國(guó)內(nèi)外規(guī)范相關(guān)規(guī)定不一致等問題。在上海20 萬m3儲(chǔ)罐的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，采用了先進(jìn)的有限元數(shù)值模擬分析技術(shù)，分別考慮材料非線性和結(jié)構(gòu)非線性的特征進(jìn)行了結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析。充分考慮材料和結(jié)構(gòu)的非線性特征，可以為穹頂優(yōu)化設(shè)計(jì)提供充足的依據(jù)，有效降低工程量和升頂重量，確保20 萬m3儲(chǔ)罐平穩(wěn)升頂。

1.4 內(nèi)罐錨固帶設(shè)計(jì)

儲(chǔ)罐大型化導(dǎo)致儲(chǔ)罐直徑和高度的增加，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)結(jié)果顯著增加。建造于低烈度區(qū)域的儲(chǔ)罐內(nèi)罐一般可以不采用錨固帶設(shè)計(jì)，但儲(chǔ)罐不斷大型化和良好的建造區(qū)域逐步減少，內(nèi)罐錨固帶設(shè)計(jì)勢(shì)必越來越普遍。

首先在內(nèi)罐抗震設(shè)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)操作基準(zhǔn)地震OBE(Operating-Basis Earthquake)、安全停運(yùn)地震SSE(Safety Shutdown Earthquake)時(shí)內(nèi)罐殼板的抗傾和壓縮應(yīng)力分別進(jìn)行校核， 當(dāng)M/[D2(Wt+WL)＜1.57(其中M為傾覆力矩；D為內(nèi)罐體直徑；Wt為殼體和受殼體支撐的儲(chǔ)罐頂部的重量；WL為可用來抵抗殼體傾覆力矩的殼體圓周上的最大介質(zhì)質(zhì)量)和SC=b/12t＜Fa(其中SC為罐體底部最大縱向壓縮力；b為筒體底部最大縱向壓縮力；t為最底層罐壁厚度；Fa為罐壁最大壓縮需用應(yīng)力)時(shí)，可不設(shè)置錨固帶即可保證內(nèi)罐穩(wěn)定性。上海20萬m3儲(chǔ)罐項(xiàng)目在內(nèi)罐結(jié)構(gòu)初步計(jì)算時(shí)，SSE 工況下的殼板抗傾校核計(jì)算結(jié)果為1.64，略大于1.57，按API-620《大型焊接低壓儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)與建造》中的要求，需設(shè)置錨固帶保證內(nèi)罐穩(wěn)定性，殼板壓縮應(yīng)力均滿足要求。通過錨固帶的計(jì)算，最后確定內(nèi)罐需錨固帶96 根/罐，間距2.75 m，符合GB/T 26978.1-2011《現(xiàn)場(chǎng)組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)液化天然氣儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與建造 第1 部分：總則》(不大于3 m)最大間距的要求。

設(shè)置的錨固帶有最大間距的規(guī)范要求，增加了施工難度和時(shí)間。以后是否需要考慮非錨固罐抗傾力矩和錨固帶協(xié)同變形和起作用，優(yōu)化內(nèi)罐的錨固帶設(shè)計(jì)，值得進(jìn)一步深入研究。

2 施工

2.1 基礎(chǔ)和底板

2.1.1 基巖確認(rèn)

上海20 萬m3儲(chǔ)罐對(duì)地基承載力和變形要求很高，施工現(xiàn)場(chǎng)地形起伏和變化較大，設(shè)計(jì)時(shí)采用中風(fēng)化輝長(zhǎng)巖層作為儲(chǔ)罐的持力層。在儲(chǔ)罐基坑開挖施工中發(fā)現(xiàn)實(shí)際的地質(zhì)情況與地勘報(bào)告描述差異較大，開挖中多處已經(jīng)開挖至3 m 深度仍未發(fā)現(xiàn)持力層。

考慮到大型儲(chǔ)罐對(duì)地基的高要求和上述開挖后的實(shí)際情況，邀請(qǐng)地質(zhì)和基礎(chǔ)專家現(xiàn)場(chǎng)踏勘和咨詢。專家認(rèn)為塊狀的強(qiáng)風(fēng)化巖層可以作為持力層，但建議通過試驗(yàn)進(jìn)一步確認(rèn)其承載力和彈性模量。將現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)罐取樣的灰褐色巖塊送往實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)后確認(rèn)強(qiáng)度和彈性模量滿足設(shè)計(jì)要求后才進(jìn)行下一步施工，避免了過大的超挖、清理和素混凝土回填，確保了工程的質(zhì)量和進(jìn)度。

2.1.2 裂縫和沉降觀測(cè)

上海20 萬m3儲(chǔ)罐施工過程中，底板混凝土墊層和底板混凝土澆注期均位于高溫天氣，混凝土的養(yǎng)護(hù)和裂縫控制應(yīng)重點(diǎn)予以關(guān)注。

由于該儲(chǔ)罐下基巖起伏較大，導(dǎo)致底板下素混凝土墊層厚度差異也較大。素混凝土墊層澆注時(shí)要求根據(jù)深度分層分區(qū)進(jìn)行澆注，澆注后仍然出現(xiàn)了一些貫穿超寬裂縫。對(duì)此，一方面組織設(shè)計(jì)、監(jiān)理和項(xiàng)目管理咨詢方進(jìn)行分析討論裂縫成因，另一方面對(duì)裂縫寬度和沉降進(jìn)行觀測(cè)，數(shù)據(jù)未見異常后，確認(rèn)為非不均勻沉降引起的無害裂縫后才進(jìn)行底板施工。

底板施工前考慮到之前的大型儲(chǔ)罐混凝土澆注后均存在不同程度的超標(biāo)裂縫，且大部分施工期均處在高溫天氣。從儲(chǔ)罐混凝土配合比試驗(yàn)階段施工方就開始考慮大體積混凝土的水化熱問題，發(fā)現(xiàn)按照設(shè)計(jì)的最小水泥用量320 kg/m3，1 周左右強(qiáng)度就超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度。通過對(duì)比類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)的研究，建議設(shè)計(jì)院把最小水泥用量降低為280 kg/m3，并摻粉煤灰和礦粉，控制水灰比在0.35 左右。施工時(shí)整個(gè)底板分為11 塊(直徑91.5 m，厚度中間區(qū)800 mm，邊緣1 300 mm)跳倉(cāng)施工，鄰板塊間隔6～7 d 后再澆注(同時(shí)對(duì)混凝土內(nèi)外溫度監(jiān)測(cè)，溫差滿足要求后再后續(xù)澆注)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不小于14 d(大摻量混凝土)。

上海2 個(gè)20 萬m3儲(chǔ)罐中，一個(gè)儲(chǔ)罐的罐基巖情況略差于另一個(gè)儲(chǔ)罐的，通過和設(shè)計(jì)、勘察、項(xiàng)目咨詢方及外部專家大量的討論、咨詢和確認(rèn)，避免了過大超挖、清理及素混凝土回填，確保了施工質(zhì)量。2 個(gè)20 萬m3儲(chǔ)罐底板澆注完后，超標(biāo)裂縫基本沒有，沉降觀測(cè)也符合要求。

2.2 穹頂

上述1.3 中已經(jīng)闡述了頂梁框架的設(shè)計(jì)和分析，其中對(duì)于穩(wěn)定性的分析業(yè)內(nèi)分歧較大，分歧焦點(diǎn)在于用線性和非線性分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，哪個(gè)更接近實(shí)際情況，哪個(gè)更經(jīng)濟(jì)和安全。

從施工角度來看，穹頂混凝土的澆注方案對(duì)頂梁框架的應(yīng)力和穩(wěn)定性分析影響很大。需根據(jù)初定的施工方案，輸入計(jì)算模型來驗(yàn)證方案的合理性、安全性。在保證質(zhì)量和安全的前提下，盡可能縮短保壓時(shí)間，為內(nèi)罐壁板早日開始施工提供便利。

穹頂混凝土的澆注通常有分段澆注和分層澆注兩種，應(yīng)根據(jù)混凝土供應(yīng)、工期要求、質(zhì)量控制等因素來考慮。由于穹頂是圓弧斜面，混凝土澆注要考慮適當(dāng)?shù)乃涠?，一般?50±30 mm，對(duì)天氣的要求要高于墻和底板，大直徑的儲(chǔ)罐罐頂混凝土供應(yīng)能力也是一個(gè)限制條件?；谏鲜銮闆r，上海20 萬m3儲(chǔ)罐穹頂考慮采用分段和分層結(jié)合的方式進(jìn)行混凝土施工。擬先分段施工環(huán)梁段，厚度一次澆注到位，此時(shí)不用保壓。然后把剩余部分分為兩層，先保壓分段施工下層，等下層混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后再停止保壓，施工上層鋼筋混凝土，同時(shí)內(nèi)罐可以開始施工。上下層混凝土分段應(yīng)錯(cuò)縫施工，避開大風(fēng)和下雨天氣。以上施工方案均需等到設(shè)計(jì)方用計(jì)算軟件復(fù)核該施工工況，并對(duì)下層混凝土強(qiáng)度、保壓時(shí)間、最大臨時(shí)堆載等做出規(guī)定后方可予以實(shí)施。

3 結(jié)語

上海LNG 項(xiàng)目?jī)?chǔ)罐擴(kuò)建工程中的2 個(gè)20 萬m3是國(guó)內(nèi)的第二個(gè)20 萬m3儲(chǔ)罐項(xiàng)目，在自主化設(shè)計(jì)和可施工性研究上達(dá)到了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。該工程儲(chǔ)罐建設(shè)的順利實(shí)施，為今后建造20 萬m3以上容積的LNG 儲(chǔ)罐在設(shè)計(jì)和施工實(shí)踐方面能提供一些思路和參考。但由于每個(gè)工程地震參數(shù)、地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)理念的差異，具體情況還需進(jìn)一步分析和研究。