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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，國內(nèi)LNG接收站和儲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m3的LNG儲罐，罐容增加能有效降低儲罐單位造價、減少儲罐區(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)中心正在開展以基礎(chǔ)減隔震技術(shù)為特色的超大容量LNG儲罐系統(tǒng)研究[3-4]，將成熟的隔震墊結(jié)構(gòu)引入到LNG儲罐基礎(chǔ)上，使儲罐上部結(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)計方法難以與之匹配。為此，筆者以某接收站項目中2臺22萬m3超大容量混凝土全容LNG儲罐的內(nèi)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，采用有限元軟件對設(shè)置隔震墊技術(shù)后的內(nèi)罐進(jìn)行二次設(shè)計，對有無隔震墊下內(nèi)罐地震響應(yīng)、壁板厚度分布規(guī)律及儲罐經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比分析，以期為隔震墊技術(shù)在超大容量LNG儲罐內(nèi)罐設(shè)計及方案決策中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 LNG儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

1.1 常規(guī)結(jié)構(gòu)形式

常規(guī)LNG全容儲罐主體結(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，確保儲罐在低溫常壓下安全運行，且將儲罐的蒸發(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鋼板焊接成頂端開口的平底圓筒結(jié)構(gòu)，作為LNG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]。

在儲罐設(shè)計、建造過程中，必須根據(jù)建設(shè)場地的地質(zhì)條件進(jìn)行分析計算，確保儲罐結(jié)構(gòu)滿足高地震力運行準(zhǔn)地震(OBE)工況和安全停運地震(SSE)工況下的抗震性能要求[6]。尤其對于內(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。我國地震活動頻率高，抗震設(shè)防要求較高。若選取無隔減震措施的傳統(tǒng)剛性抗震結(jié)構(gòu)，勢必大幅增加外罐壁、承臺、穹頂和樁等關(guān)鍵構(gòu)件的截面尺寸以及配筋率[5]，也對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)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)液化天然氣儲罐的設(shè)計與建造 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、造價低、蒸發(fā)率小及經(jīng)濟(jì)性高的超大容量LNG儲罐的發(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，可延長整個結(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儲罐中的安裝見圖1。

圖1 LNG儲罐中安裝隔震墊施工現(xiàn)場

隔震墊的阻尼和剛度是影響LNG儲罐隔震墊性能的主要參數(shù)。通過調(diào)節(jié)隔震墊豎向和水平方向的剛度，可降低儲罐的自振頻率，延長結(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儲罐內(nèi)罐設(shè)計工程案例

2.1 有限元模型建立

以某22萬m3超大容量混凝土全容LNG儲罐為例，在ANSYS中建立含隔震墊的LNG儲罐有限元模型，見圖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儲罐有限元計算模型

建立的模型主要涵蓋以內(nèi)罐、外罐壁、穹頂及承臺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、外罐壁與承臺之間采用剛性連接。樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用BEAM188梁單元模擬其受力情況，選用COMBIN39單元模擬樁土之間的相互作用。對隔震墊支座結(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

通過有限元計算得到設(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，具體設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 設(shè)置隔震墊前后LNG儲罐內(nèi)罐設(shè)計參數(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)計方案與內(nèi)罐設(shè)計方案相同。

3 LNG儲罐內(nèi)罐設(shè)計數(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，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，ai由0.606 8g減小至0.484 1g；OBE工況時，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儲罐基礎(chǔ)頂端與承臺及其以上結(jié)構(gòu)(簡稱上部結(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)生相對水平滑動，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)液體對流晃動對罐壁的作用力[16-18]。在隔震墊作用下，垂直沖擊加速度av峰值變化特點與水平?jīng)_擊加速度峰值呈現(xiàn)同步性。SSE工況時，av由0.394 4g減小至0.314 7g；OBE工況時，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儲罐內(nèi)罐壁板厚度分布見圖3。圖3中x軸的內(nèi)罐壁板層號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，設(shè)置隔震墊前后內(nèi)罐壁板厚度整體變化趨勢一致，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%。在不降低儲罐整體結(jié)構(gòu)抗震性能的同時，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，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，總計減少約200 t，同時節(jié)省焊接材料約1.5 t。按照X7Ni9鋼材價格約3.5萬元/t、焊接材料價格30萬元/t計算，設(shè)置隔震墊方案下，可節(jié)省內(nèi)罐材料費用約745萬元。

對于外罐，設(shè)置隔震墊之后，由地面經(jīng)由隔震層上傳至承臺、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)省外罐費用大約1 000萬元。

對于樁基，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，估計節(jié)約費用約900萬元。

考慮制造、安裝隔震墊的費用約1 600萬元，則該LNG儲罐總計節(jié)省約1 045萬元。由此可見，隔震墊方案在經(jīng)濟(jì)性上更具優(yōu)勢。

4 結(jié)語

以某接收站項目中2臺22萬m3的大容量混凝土全容LNG儲罐內(nèi)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，通過有限元分析，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，對比分析了設(shè)置隔震墊對儲罐內(nèi)罐壁板厚度分布及相關(guān)費用的影響，分析認(rèn)為：①沖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)液體對流晃動對罐壁的作用力有所增加，晃動波高將有所放大。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，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，總計節(jié)約費用約1 045萬元。

LNG儲罐多建造在沿海地區(qū)，易受海水腐蝕作用，需定期對隔震墊進(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的安全風(fēng)險。