基于隔震垫技术的超大型液化天然气储罐内罐设计

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(中海石油气电集团有限责任公司， 北京 100028)

液化天然气(简称LNG)作为21世纪最重要的清洁、优质、高效且安全的燃料，越来越受到全球用户的热捧[1]。在LNG产业迅猛发展的同时，国内LNG接收站和储罐的建造也日益加快，相继在广东、福建、浙江、上海、天津和海南等沿海省市建成投用[2]。相比传统16万m3的LNG储罐，罐容增加能有效降低储罐单位造价、减少储罐区域占地面积并提高投资成本收益率。中海油气电集团有限责任公司LNG技术研发中心正在开展以基础减隔震技术为特色的超大容量LNG储罐系统研究[3-4]，将成熟的隔震垫结构引入到LNG储罐基础上，使储罐上部结构与基础结构间形成柔性连接，但原有内罐设计方法难以与之匹配。为此，笔者以某接收站项目中2台22万m3超大容量混凝土全容LNG储罐的内罐结构设计为例，采用有限元软件对设置隔震垫技术后的内罐进行二次设计，对有无隔震垫下内罐地震响应、壁板厚度分布规律及储罐经济性进行对比分析，以期为隔震垫技术在超大容量LNG储罐内罐设计及方案决策中的应用提供参考依据。

1 LNG储罐结构设计原则

1.1 常规结构形式

常规LNG全容储罐主体结构由外罐和内罐2部分组成。其中，外罐为预应力钢筋混凝土结构，具有LNG气体密封和液体密封的功能，确保储罐在低温常压下安全运行，且将储罐的蒸发气(BOG)损失控制在经济合理范围内。内罐通常是将X7Ni9钢板焊接成顶端开口的平底圆筒结构，作为LNG装载的主容器。外罐和内罐中间留有环向空间，填充热传导率低的保冷材料，控制LNG物料与外界环境的热交换速率[5]。

在储罐设计、建造过程中，必须根据建设场地的地质条件进行分析计算，确保储罐结构满足高地震力运行准地震(OBE)工况和安全停运地震(SSE)工况下的抗震性能要求[6]。尤其对于内罐结构，必须采用既满足结构力学性能要求，又满足施工安装中焊接技术要求的X7Ni9板材。我国地震活动频率高，抗震设防要求较高。若选取无隔减震措施的传统刚性抗震结构，势必大幅增加外罐壁、承台、穹顶和桩等关键构件的截面尺寸以及配筋率[5]，也对EN 14620-2—2006《Design and Manufacture of Site Built， Vertical， Cylindrical，Flat-bottomed Steel Tanks for the Storage of Refrigerated，Liquefied Gases with Operating Temperatures Between 0 ℃ and -165 ℃》[7]、GB/T 26978.2—2011《现场组装立式圆筒平底钢质液化天然气储罐的设计与建造 第2部分：金属构件》[8]中X7Ni9板材最大壁厚的控制要求提出了挑战。上述因素均在一定程度上制约了单位容量占地面积小、造价低、蒸发率小及经济性高的超大容量LNG储罐的发展[2]。

1.2 隔震垫结构形式

基础隔震技术是目前世界地震工程界推广应用较多的成熟高新技术之一。隔震垫是最具代表性的隔震装置，由橡胶、软木、毛毡、海绵橡胶、玻璃纤维、矿渣棉及泡沫塑料等具有一定弹性的软材料构成[9-10]。把隔震垫安置在建筑物的结构底部和基础(或底部柱顶)之间，可延长整个结构体系的自振周期，增大阻尼，减少上部结构的地震输入能量，达到预期防震要求[5，11-15]。隔震垫在LNG储罐中的安装见图1。

图1 LNG储罐中安装隔震垫施工现场

隔震垫的阻尼和刚度是影响LNG储罐隔震垫性能的主要参数。通过调节隔震垫竖向和水平方向的刚度，可降低储罐的自振频率，延长结构体系的自振周期，从而减小上部结构的地震响应。通过增大结构阻尼，能有效吸收地震能量，降低上部结构的地震响应[9，11]。

2 LNG储罐内罐设计工程案例

2.1 有限元模型建立

以某22万m3超大容量混凝土全容LNG储罐为例，在ANSYS中建立含隔震垫的LNG储罐有限元模型，见图2。罐体总高约57 m，预应力混凝土外罐内直径88 m，X7Ni9钢内罐直径86 m，内罐壁高41.45 m。

图2 LNG储罐有限元计算模型

建立的模型主要涵盖以内罐、外罐壁、穹顶及承台为代表的罐体上部结构，桩基础结构以及隔震垫支座结构3部分。其中，罐体上部结构采用适用于薄壳结构分析的SHELL181壳体单元，外罐壁与穹顶、外罐壁与承台之间采用刚性连接。桩基础结构采用BEAM188梁单元模拟其受力情况，选用COMBIN39单元模拟桩土之间的相互作用。对隔震垫支座结构模型，选用COMBIN40单元的组合进行模拟。

2.2 内罐设计

通过有限元计算得到设置隔震垫前后内罐的地震反应谱加速度，并基于此进行了设置隔震垫前后内罐的设计，具体设计参数见表1。

表1 设置隔震垫前后LNG储罐内罐设计参数

罐底环形板、罐底中幅板、二层底及热角保护系统等其它构件的设计方案与内罐设计方案相同。

3 LNG储罐内罐设计数据分析

3.1 地震响应加速度

设置隔震垫前后不同工况下内罐的地震响应加速度数据见表2，表中g为重力加速度。

表2 设置隔震垫前后不同工况下内罐的地震响应加速度

由表2可见，在隔震垫作用下，水平冲击加速度ai峰值均大幅降低。SSE工况时，ai由0.606 8g减小至0.484 1g；OBE工况时，ai由0.362 6g减小至0.192 6g。ai的总体降幅为20.2%～46.9%，隔震垫吸能、消能效果明显。引入隔震垫后，LNG储罐基础顶端与承台及其以上结构(简称上部结构)之间形成隔震层，水平刚度降低后成为柔性体系，上部结构与地面间产生相对水平滑动，进而起到隔离和消耗地震能量的作用。但也在一定程度上增加了罐内液体对流晃动对罐壁的作用力[16-18]。在隔震垫作用下，垂直冲击加速度av峰值变化特点与水平冲击加速度峰值呈现同步性。SSE工况时，av由0.394 4g减小至0.314 7g；OBE工况时，av由0.235 7g减小至0.125 2g。av的总体降幅为20.2%～46.9%，隔震垫吸能、消能效果明显。

3.2 内罐壁板厚度分布

设置隔震垫前后LNG储罐内罐壁板厚度分布见图3。图3中x轴的内罐壁板层号1代表内罐壁板底层，12代表内罐壁板顶层。

图3 设置隔震垫前后内罐壁板厚度分布

由图3可见，设置隔震垫前后内罐壁板厚度整体变化趋势一致，即沿壁板高度方向，从底层到顶层壁板厚度逐步减小至EN 14620-2—2006规定的最小壁厚10 mm。但设置隔震垫后，受隔震层吸能、消能作用影响，除选用最小厚度的壁板层外，其它同层内罐壁板厚度下降1.4～2.8 mm，降幅8.0%～16.7%。在不降低储罐整体结构抗震性能的同时，设置隔震垫后结构所需截面尺寸大幅降低，减小了X7Ni9钢板的焊接难度和风险，提高了工程建造和施工的便利性[19-21]。

3.3 经济性

未设置隔震垫方案下，该LNG储罐内罐X7Ni9钢材净用量约2 500 t，设置隔震垫方案下内罐X7Ni9钢材净用量约2 300 t，总计减少约200 t，同时节省焊接材料约1.5 t。按照X7Ni9钢材价格约3.5万元/t、焊接材料价格30万元/t计算，设置隔震垫方案下，可节省内罐材料费用约745万元。

对于外罐，设置隔震垫之后，由地面经由隔震层上传至承台、外罐和穹顶混凝土的地震作用大幅下降，外罐混凝土结构的设计优化空间较大，截面尺寸以及钢筋用量均可大幅降低，可以节省外罐费用大约1 000万元。

对于桩基，隔震垫能降低桩身的水平受力，但增加隔震垫后桩头由固接变为铰接，为不降低安全系数，建议维持相同的桩数，但截面尺寸和配筋率可适当降低，估计节约费用约900万元。

考虑制造、安装隔震垫的费用约1 600万元，则该LNG储罐总计节省约1 045万元。由此可见，隔震垫方案在经济性上更具优势。

4 结语

以某接收站项目中2台22万m3的大容量混凝土全容LNG储罐内罐结构设计为例，通过有限元分析，得到了设置隔震垫前后SSE和OBE工况下内罐的地震响应加速度，对比分析了设置隔震垫对储罐内罐壁板厚度分布及相关费用的影响，分析认为：①冲击加速度是地震作用下影响内罐壁板厚度取值的关键因素。在LNG储罐基础上设置隔震垫，可有效消耗地震能量，减少上部结构地震响应，达到隔震、消能的作用。但受水平刚度下降的影响，罐内液体对流晃动对罐壁的作用力有所增加，晃动波高将有所放大。②设置隔震垫后，内罐壁板厚度整体分布趋势与未设置隔震垫前一致，但各同层所在内罐壁板厚度均有所下降。在不降低结构抗震性能的同时，结构所需截面尺寸显著减小，降低了X7Ni9钢板焊接难度，提高了施工便利性和可靠性。③隔震垫方案在经济性上具有一定的优势，总计节约费用约1 045万元。

LNG储罐多建造在沿海地区，易受海水腐蚀作用，需定期对隔震垫进行维护和更换，但其置换难度较大，因此有必要对隔震垫的稳定性、耐久性和可靠性予以综合考虑和深入研究，以降低隔震垫腐蚀老化及其置换带来的安全风险。