全混凝土LNG儲罐國產化的可行性研究

謝 劍 李 響 朱俊巖

1.天津大學濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室 2.中國石油天然氣管道工程有限公司

LNG儲罐的建設是LNG產業鏈的“陸上起點，海上終點”。當前的全容式LNG儲罐內罐材料多為9%鎳鋼，其生產與施工成本較高且施工工序復雜；相比之下，內罐采用混凝土的LNG儲罐，材料易本土化，施工工期短，建造費用低。全混凝土LNG儲罐在國外已有建成先例，但我國尚未開展相關研究。

全混凝土儲罐（ACLNG TANK）并不是一個全新的概念，截至2004年，世界上已有9座全混凝土LNG儲罐。最早的一座建在巴塞羅那，從1969年服役至今［1］，且 美 國 已 有 相 應 設 計 規 范——ACI 376—2010［2］。在20世紀70—80年代，人們對全混凝土LNG儲罐有所研究。但由于當時的液化天然氣市場較小，LNG儲罐的投資建設計劃較少，且當時的人們缺少對低溫下混凝土特性的了解，所以對這種新型的LNG儲罐的研究減少，造成對全混凝土罐的研究斷層。目前隨著全球能源的緊張，天然氣這種清潔、廉價能源重新獲得青睞，其中LNG儲罐的投資建設也在蓬勃發展。對全混凝土LNG儲罐進行研究，有利于LNG產業的發展。

1 全混凝土LNG儲罐結構形式

對于全容罐來講，全混凝土罐的主要特點是內、外罐均采用混凝土材料，內罐罐壁與底板的材料采用預應力混凝土，內罐無熱角保護，罐壁與底板整體澆筑；外罐罐壁設有防潮層，外罐罐底鋪設聚酯薄膜面層。為滿足后張拉的要求，全混凝土罐的環形空間比內罐為9%鎳鋼罐的環形空間大［3］。全混凝土罐的結構見圖1。

圖1 全混凝土LNG儲罐結構圖

2 全混凝土罐的優點

全混凝土罐的應用有很多優點。首先，從材料角度講，國內的9%鎳鋼材市場緊張，且9%鎳鋼雖已初步實現國產化，但價格依然昂貴。與之相比，混凝土材料容易獲得，成本較低。其次，全混凝土罐的平行施工工序多，建造工期短（圖2），因工期產生的費用相對較低（圖3）。從圖2可以看出，全混凝土內罐與外罐的平行施工搭接時間長，保冷結構安裝與設備安裝可同時進；對于9%鎳鋼，外罐施工即將結束時才能進行內罐施工，保冷結構安裝與設備安裝不存在搭接時間。常規的16×104m3儲罐工期約為33個月，而全混凝土罐的建造工期約為25個月，可節省工期8個月。工期縮短可使LNG儲罐提前投產，也間接減小了LNG儲罐建造費用。從圖3可以看出，采用全混凝土LNG儲罐至少可節約20%的建造成本［3］。最后，全混凝土LNG罐可以擴大業主對承包商與設計單位的選擇范圍，優化LNG儲罐的設計與建造市場。同時混凝土的應用在全球經驗都較為成熟，人們對混凝土低溫特性的認識也逐漸走向成熟［4］。

圖2 不同材質LNG儲罐施工工期比較圖

圖3 不同材質LNG儲罐建造成本比較圖

3 混凝土的低溫特性

全混凝土罐的應用有很多優點，但實現應用需要對混凝土的低溫特性有足夠的了解。筆者在已有保溫設備的基礎上進行了低溫環境下混凝土與鋼材的力學性能試驗、混凝土凍融循環試驗、低溫下混凝土與鋼材的黏結性能試驗、鋼筋與預應力混凝土梁的受彎性能試驗［5－11］。試驗溫度最低至－170 ℃。

3.1 材料特性

在低溫環境下混凝土的抗壓強度、彈性模量、抗拉強度 、峰值拉應變、抗滲性、泊松比提高［5－6］。

低溫下混凝土的本構關系試驗表明，素混凝土的彈性模量、強度都有所提高，但脆性加大，配置箍筋可有效改善混凝土在低溫下的延性，試驗提出低溫環境下混凝土的本構擬合公式，有助于分析混凝土內罐在低溫下的受力特性。

3.2 黏結特性

鋼筋與混凝土的黏結強度影響鋼筋在結構中的錨固長度及受拉性能，試驗表明，極限黏結強度隨溫度的降低、鋼筋屈服強度的增大、錨固長度的減小、混凝土保護層的增大而增大［7］。凍融循環下混凝土強度、鋼筋與混凝土的黏結強度降低［8－9］。

從鋼絞線與混凝土黏結試驗的荷載—滑移曲線可以看出，隨著溫度降低，極限破壞荷載逐漸增大，表明黏結預應力構件的安全儲備提高［10］。

3.3 構件受力性能

有黏結預應力混凝土梁的試驗表明［11］：隨著溫度的降低，預應力混凝土梁的開裂荷載逐漸增大，梁的脆性特征明顯，極限荷載也逐漸增大，開裂荷載的提高程度要大于極限荷載；超低溫環境下，預應力混凝土梁的平截面假定仍舊適用。

低溫環境下混凝土梁的試驗表明：隨著溫度的降低，鋼筋混凝土梁的開裂荷載逐漸提高，裂縫數量逐漸減少，裂縫間距增大；同一荷載下，鋼筋混凝土梁的撓度及鋼筋應變均隨溫度的降低而呈減小趨勢；鋼筋混凝土梁屈服荷載與極限荷載都有一定的提高，配筋率越大提高程度越大，且屈服荷載的提高程度較極限荷載提高程度更大；低溫下，平截面假定依舊成立，梁延性降低。

綜上所述，混凝土低溫特性的研究為全混凝土LNG儲罐的建造設計提供了理論支持。

4 特殊問題及相應措施

混凝土在低溫環境下的力學特性支持其在低溫領域應用，但在凍融循環的情況下還是會對結構產生不利影響；混凝土的液密性也是全混凝土LNG儲罐應用時要著重考慮的問題。

4.1 凍融循環

在檢修、維護的情況下，混凝土內罐的局部溫度會有所升高，混凝土會受到凍融循環的影響。凍融循環試驗表明［8］：在凍融循環的情況下，鋼筋與混凝土的黏結強度、混凝土的強度隨凍融循環次數的增加而降低，且高含水量的混凝土受影響較大，減小混凝土中的含水量是降低凍融循環損害的有效途徑。圖4為鋼筋與混凝土的熱變形比較圖。從圖4以看出，在預加壓力下，混凝土與鋼筋的熱膨脹系數接近，且呈線性變化，所以對混凝土施加預應力，可有效提高鋼筋與混凝土的黏結性能，提高混凝土耐久性［12］；快速有效的檢修、維護方案、管理制度也是降低凍融損害的有效辦法。

圖4 鋼筋與混凝土的熱變形比較圖［12］

據本文參考文獻［13］單、雙向預應力板的低溫試驗結果表明，雙向預應力筋能減小凍融循環對混凝土的損傷。同時，使用引氣劑、減小水灰比、降低含水量也可提高混凝土在凍融循環下的耐久性。

在正常運行條件下，LNG蒸發氣與LNG共存，LNG儲罐的環境溫度在－162℃附近，由ANSYS模擬可確定，對于0.8m厚的罐壁，穩定后內罐外表面的溫度在－159℃附近。內罐整體被凍透，所以不考慮凍融的影響。內罐底板與罐壁的溫度分布如圖5所示。

圖5 混凝土內罐的溫度分布圖

4.2 液密性

混凝土在低溫內罐應用時，液密性是混凝土內罐適用性評估的重要因素，因為它控制著LNG的損失速率以及結構的安全性［1］。ACI 376—2010規定：混凝土內罐在靜水試驗、正常操作、正常操作＋OBE下要滿足液密性要求［2］。

混凝土的液密性主要取決于混凝土的滲透性能，而微裂縫是影響滲透的主要因素。微裂縫的產生，增加了低溫液體的滲透路徑，加速液體的泄漏，但是此類問題可通過混凝土材料的選擇來減小不利效應。

影響滲透的主要因素有含氣量、水灰比、含水量、骨料級配。骨料與含水量是影響滲透的主要因素，骨料的影響在于：骨料與水泥漿等成分的熱膨脹系數不一致，使混凝土內部各成分變形不協調，導致微裂縫的產生；含水量的影響在于：冰的熱膨脹變形比混凝土中的其他成分更大，高水灰比會使低溫下混凝土的溫度變形增大，產生微裂縫。

根據試驗結果［14－16］，采用輕集料混凝土、加氣混凝土、火山灰水泥、摻加粉煤灰、減小水灰比，可降低混凝土的滲透性。輕集料的熱膨脹系數較低，與砂漿的系數相近，且輕集料與水泥漿的彈性模量相近，可增大骨料與水泥漿的黏結強度，同時輕集料混凝土的導熱系數低、凍融循環下的耐久性好、滲透率低；“加氣”的主要原理在于：氣泡的體積較大，水在此空間內結冰不會與混凝土發生擠壓，降低由冰膨脹引起的微裂縫的發生率；粉煤灰通過密實了微觀結構的不溶性成分，來減少混凝土內部的孔隙；減小水灰比有助于減少孔隙的數量與連通性。

5 結束語

混凝土在低溫下的特性支持其在LNG儲罐及類似低溫儲罐領域的應用，其理論雖逐漸成熟，但依然缺乏大量試驗支持。BS EN14620［17］規定：當有足夠的試驗數據做支撐，混凝土的低溫力學特性才能應用于LNG儲罐的設計中。所以還要深化混凝土低溫力學特性的研究，包括低溫環境下鋼筋混凝土、預應力混凝土構件的性能等研究。同時，為了推廣這種形式的LNG儲罐，還應該開展以下攻關研究：①混凝土內罐的開裂情況分析；②地震作用下的內外罐整體性能分析；③按照ACI376要求對儲罐進行承載能力極限狀態與正常使用極限狀態的模擬設計。

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