基于隔震墊技術(shù)的超大型液化天然氣儲(chǔ)罐內(nèi)罐設(shè)計(jì)

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(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100028)

液化天然氣(簡(jiǎn)稱LNG)作為21世紀(jì)最重要的清潔、優(yōu)質(zhì)、高效且安全的燃料，越來(lái)越受到全球用戶的熱捧[1]。在LNG產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的同時(shí)，國(guó)內(nèi)LNG接收站和儲(chǔ)罐的建造也日益加快，相繼在廣東、福建、浙江、上海、天津和海南等沿海省市建成投用[2]。相比傳統(tǒng)16萬(wàn)m3的LNG儲(chǔ)罐，罐容增加能有效降低儲(chǔ)罐單位造價(jià)、減少儲(chǔ)罐區(qū)域占地面積并提高投資成本收益率。中海油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司LNG技術(shù)研發(fā)中心正在開(kāi)展以基礎(chǔ)減隔震技術(shù)為特色的超大容量LNG儲(chǔ)罐系統(tǒng)研究[3-4]，將成熟的隔震墊結(jié)構(gòu)引入到LNG儲(chǔ)罐基礎(chǔ)上，使儲(chǔ)罐上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)間形成柔性連接，但原有內(nèi)罐設(shè)計(jì)方法難以與之匹配。為此，筆者以某接收站項(xiàng)目中2臺(tái)22萬(wàn)m3超大容量混凝土全容LNG儲(chǔ)罐的內(nèi)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，采用有限元軟件對(duì)設(shè)置隔震墊技術(shù)后的內(nèi)罐進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，對(duì)有無(wú)隔震墊下內(nèi)罐地震響應(yīng)、壁板厚度分布規(guī)律及儲(chǔ)罐經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析，以期為隔震墊技術(shù)在超大容量LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐設(shè)計(jì)及方案決策中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

1.1 常規(guī)結(jié)構(gòu)形式

常規(guī)LNG全容儲(chǔ)罐主體結(jié)構(gòu)由外罐和內(nèi)罐2部分組成。其中，外罐為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具有LNG氣體密封和液體密封的功能，確保儲(chǔ)罐在低溫常壓下安全運(yùn)行，且將儲(chǔ)罐的蒸發(fā)氣(BOG)損失控制在經(jīng)濟(jì)合理范圍內(nèi)。內(nèi)罐通常是將X7Ni9鋼板焊接成頂端開(kāi)口的平底圓筒結(jié)構(gòu)，作為L(zhǎng)NG裝載的主容器。外罐和內(nèi)罐中間留有環(huán)向空間，填充熱傳導(dǎo)率低的保冷材料，控制LNG物料與外界環(huán)境的熱交換速率[5]。

在儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)、建造過(guò)程中，必須根據(jù)建設(shè)場(chǎng)地的地質(zhì)條件進(jìn)行分析計(jì)算，確保儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)滿足高地震力運(yùn)行準(zhǔn)地震(OBE)工況和安全停運(yùn)地震(SSE)工況下的抗震性能要求[6]。尤其對(duì)于內(nèi)罐結(jié)構(gòu)，必須采用既滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)性能要求，又滿足施工安裝中焊接技術(shù)要求的X7Ni9板材。我國(guó)地震活動(dòng)頻率高，抗震設(shè)防要求較高。若選取無(wú)隔減震措施的傳統(tǒng)剛性抗震結(jié)構(gòu)，勢(shì)必大幅增加外罐壁、承臺(tái)、穹頂和樁等關(guān)鍵構(gòu)件的截面尺寸以及配筋率[5]，也對(duì)EN 14620-2—2006《Design and Manufacture of Site Built， Vertical， Cylindrical，F(xiàn)lat-bottomed Steel Tanks for the Storage of Refrigerated，Liquefied Gases with Operating Temperatures Between 0 ℃ and -165 ℃》[7]、GB/T 26978.2—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2部分：金屬構(gòu)件》[8]中X7Ni9板材最大壁厚的控制要求提出了挑戰(zhàn)。上述因素均在一定程度上制約了單位容量占地面積小、造價(jià)低、蒸發(fā)率小及經(jīng)濟(jì)性高的超大容量LNG儲(chǔ)罐的發(fā)展[2]。

1.2 隔震墊結(jié)構(gòu)形式

基礎(chǔ)隔震技術(shù)是目前世界地震工程界推廣應(yīng)用較多的成熟高新技術(shù)之一。隔震墊是最具代表性的隔震裝置，由橡膠、軟木、毛氈、海綿橡膠、玻璃纖維、礦渣棉及泡沫塑料等具有一定彈性的軟材料構(gòu)成[9-10]。把隔震墊安置在建筑物的結(jié)構(gòu)底部和基礎(chǔ)(或底部柱頂)之間，可延長(zhǎng)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的自振周期，增大阻尼，減少上部結(jié)構(gòu)的地震輸入能量，達(dá)到預(yù)期防震要求[5，11-15]。隔震墊在LNG儲(chǔ)罐中的安裝見(jiàn)圖1。

圖1 LNG儲(chǔ)罐中安裝隔震墊施工現(xiàn)場(chǎng)

隔震墊的阻尼和剛度是影響LNG儲(chǔ)罐隔震墊性能的主要參數(shù)。通過(guò)調(diào)節(jié)隔震墊豎向和水平方向的剛度，可降低儲(chǔ)罐的自振頻率，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)體系的自振周期，從而減小上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。通過(guò)增大結(jié)構(gòu)阻尼，能有效吸收地震能量，降低上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)[9，11]。

2 LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐設(shè)計(jì)工程案例

2.1 有限元模型建立

以某22萬(wàn)m3超大容量混凝土全容LNG儲(chǔ)罐為例，在ANSYS中建立含隔震墊的LNG儲(chǔ)罐有限元模型，見(jiàn)圖2。罐體總高約57 m，預(yù)應(yīng)力混凝土外罐內(nèi)直徑88 m，X7Ni9鋼內(nèi)罐直徑86 m，內(nèi)罐壁高41.45 m。

圖2 LNG儲(chǔ)罐有限元計(jì)算模型

建立的模型主要涵蓋以內(nèi)罐、外罐壁、穹頂及承臺(tái)為代表的罐體上部結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及隔震墊支座結(jié)構(gòu)3部分。其中，罐體上部結(jié)構(gòu)采用適用于薄殼結(jié)構(gòu)分析的SHELL181殼體單元，外罐壁與穹頂、外罐壁與承臺(tái)之間采用剛性連接。樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用BEAM188梁?jiǎn)卧M其受力情況，選用COMBIN39單元模擬樁土之間的相互作用。對(duì)隔震墊支座結(jié)構(gòu)模型，選用COMBIN40單元的組合進(jìn)行模擬。

2.2 內(nèi)罐設(shè)計(jì)

通過(guò)有限元計(jì)算得到設(shè)置隔震墊前后內(nèi)罐的地震反應(yīng)譜加速度，并基于此進(jìn)行了設(shè)置隔震墊前后內(nèi)罐的設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)置隔震墊前后LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐設(shè)計(jì)參數(shù)

罐底環(huán)形板、罐底中幅板、二層底及熱角保護(hù)系統(tǒng)等其它構(gòu)件的設(shè)計(jì)方案與內(nèi)罐設(shè)計(jì)方案相同。

3 LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析

3.1 地震響應(yīng)加速度

設(shè)置隔震墊前后不同工況下內(nèi)罐的地震響應(yīng)加速度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，表中g(shù)為重力加速度。

表2 設(shè)置隔震墊前后不同工況下內(nèi)罐的地震響應(yīng)加速度

由表2可見(jiàn)，在隔震墊作用下，水平?jīng)_擊加速度ai峰值均大幅降低。SSE工況時(shí)，ai由0.606 8g減小至0.484 1g；OBE工況時(shí)，ai由0.362 6g減小至0.192 6g。ai的總體降幅為20.2%～46.9%，隔震墊吸能、消能效果明顯。引入隔震墊后，LNG儲(chǔ)罐基礎(chǔ)頂端與承臺(tái)及其以上結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱上部結(jié)構(gòu))之間形成隔震層，水平剛度降低后成為柔性體系，上部結(jié)構(gòu)與地面間產(chǎn)生相對(duì)水平滑動(dòng)，進(jìn)而起到隔離和消耗地震能量的作用。但也在一定程度上增加了罐內(nèi)液體對(duì)流晃動(dòng)對(duì)罐壁的作用力[16-18]。在隔震墊作用下，垂直沖擊加速度av峰值變化特點(diǎn)與水平?jīng)_擊加速度峰值呈現(xiàn)同步性。SSE工況時(shí)，av由0.394 4g減小至0.314 7g；OBE工況時(shí)，av由0.235 7g減小至0.125 2g。av的總體降幅為20.2%～46.9%，隔震墊吸能、消能效果明顯。

3.2 內(nèi)罐壁板厚度分布

設(shè)置隔震墊前后LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐壁板厚度分布見(jiàn)圖3。圖3中x軸的內(nèi)罐壁板層號(hào)1代表內(nèi)罐壁板底層，12代表內(nèi)罐壁板頂層。

圖3 設(shè)置隔震墊前后內(nèi)罐壁板厚度分布

由圖3可見(jiàn)，設(shè)置隔震墊前后內(nèi)罐壁板厚度整體變化趨勢(shì)一致，即沿壁板高度方向，從底層到頂層壁板厚度逐步減小至EN 14620-2—2006規(guī)定的最小壁厚10 mm。但設(shè)置隔震墊后，受隔震層吸能、消能作用影響，除選用最小厚度的壁板層外，其它同層內(nèi)罐壁板厚度下降1.4～2.8 mm，降幅8.0%～16.7%。在不降低儲(chǔ)罐整體結(jié)構(gòu)抗震性能的同時(shí)，設(shè)置隔震墊后結(jié)構(gòu)所需截面尺寸大幅降低，減小了X7Ni9鋼板的焊接難度和風(fēng)險(xiǎn)，提高了工程建造和施工的便利性[19-21]。

3.3 經(jīng)濟(jì)性

未設(shè)置隔震墊方案下，該LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐X7Ni9鋼材凈用量約2 500 t，設(shè)置隔震墊方案下內(nèi)罐X7Ni9鋼材凈用量約2 300 t，總計(jì)減少約200 t，同時(shí)節(jié)省焊接材料約1.5 t。按照X7Ni9鋼材價(jià)格約3.5萬(wàn)元/t、焊接材料價(jià)格30萬(wàn)元/t計(jì)算，設(shè)置隔震墊方案下，可節(jié)省內(nèi)罐材料費(fèi)用約745萬(wàn)元。

對(duì)于外罐，設(shè)置隔震墊之后，由地面經(jīng)由隔震層上傳至承臺(tái)、外罐和穹頂混凝土的地震作用大幅下降，外罐混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化空間較大，截面尺寸以及鋼筋用量均可大幅降低，可以節(jié)省外罐費(fèi)用大約1 000萬(wàn)元。

對(duì)于樁基，隔震墊能降低樁身的水平受力，但增加隔震墊后樁頭由固接變?yōu)殂q接，為不降低安全系數(shù)，建議維持相同的樁數(shù)，但截面尺寸和配筋率可適當(dāng)降低，估計(jì)節(jié)約費(fèi)用約900萬(wàn)元。

考慮制造、安裝隔震墊的費(fèi)用約1 600萬(wàn)元，則該LNG儲(chǔ)罐總計(jì)節(jié)省約1 045萬(wàn)元。由此可見(jiàn)，隔震墊方案在經(jīng)濟(jì)性上更具優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

以某接收站項(xiàng)目中2臺(tái)22萬(wàn)m3的大容量混凝土全容LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，通過(guò)有限元分析，得到了設(shè)置隔震墊前后SSE和OBE工況下內(nèi)罐的地震響應(yīng)加速度，對(duì)比分析了設(shè)置隔震墊對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)罐壁板厚度分布及相關(guān)費(fèi)用的影響，分析認(rèn)為：①?zèng)_擊加速度是地震作用下影響內(nèi)罐壁板厚度取值的關(guān)鍵因素。在LNG儲(chǔ)罐基礎(chǔ)上設(shè)置隔震墊，可有效消耗地震能量，減少上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，達(dá)到隔震、消能的作用。但受水平剛度下降的影響，罐內(nèi)液體對(duì)流晃動(dòng)對(duì)罐壁的作用力有所增加，晃動(dòng)波高將有所放大。②設(shè)置隔震墊后，內(nèi)罐壁板厚度整體分布趨勢(shì)與未設(shè)置隔震墊前一致，但各同層所在內(nèi)罐壁板厚度均有所下降。在不降低結(jié)構(gòu)抗震性能的同時(shí)，結(jié)構(gòu)所需截面尺寸顯著減小，降低了X7Ni9鋼板焊接難度，提高了施工便利性和可靠性。③隔震墊方案在經(jīng)濟(jì)性上具有一定的優(yōu)勢(shì)，總計(jì)節(jié)約費(fèi)用約1 045萬(wàn)元。

LNG儲(chǔ)罐多建造在沿海地區(qū)，易受海水腐蝕作用，需定期對(duì)隔震墊進(jìn)行維護(hù)和更換，但其置換難度較大，因此有必要對(duì)隔震墊的穩(wěn)定性、耐久性和可靠性予以綜合考慮和深入研究，以降低隔震墊腐蝕老化及其置換帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。