20 萬m3LNG 儲罐設計和施工淺析

上海液化天然氣有限責任公司 王 春 金 罕 施玉平

隨著LNG 行業的快速發展，儲罐大型化是大勢所趨。截至目前，國內只有1 個20 萬m3及以上儲罐建成。上海液化天然氣有限責任公司會同相關設計單位開展儲罐大型化選型和建設方案等相關專題研究工作后，從公司儲罐一期擴建工程的實際出發，經過與16 萬m3LNG 儲罐的綜合比選，決定建設2 座20 萬m3LNG 儲罐。

公司LNG 一期擴建項目的儲罐均采用落地承臺結構，這在國內外應用較少，設計和施工上有不少獨特之處。本文對該大型儲罐設計(包括基礎和底板設計、扶壁柱和預應力設計、穹頂設計、內罐錨固帶設計)和施工(包括基巖確認和底板裂縫、穹頂施工方案)的特點、難點和關鍵技術進行了相應的分析。

1 設計

1.1 儲罐基礎和底板設計

對于基礎直接坐落在基巖上的儲罐，和樁基礎一樣，存在埋深變化較大的不均勻地層情況。目前儲罐基礎研究計算常采用理論公式法和數值模擬法。理論公式法建立在太沙基等人創立的經典土力學基礎上，其中引入了許多簡化假定。這類方法具有簡便、直觀、計算參數少且易于取得等優點，因而在工程中得到廣泛應用。數值模擬法，可以較全面地考慮土體的變形特性及其邊界條件，理論上較為嚴密。

上海20 萬m3LNG 儲罐基礎設計中，也采用了理論公式法和數值模擬法相結合的方法。其中數值模擬法采用ANSYS 軟件中Mechanical APDL 模塊建立了儲罐整體三維模型。為了清晰展示儲罐內部結構，建立了儲罐和基礎有限元模型，如圖1 所示。由圖可知，所建立的有限元模型幾乎包括了儲罐的各個部件，其中儲罐環形空間的珍珠巖保溫層以壓力載荷的形式進行模擬，儲罐上面的操作平臺、消防平臺及吊頂以質量單元形式體現，樁腿與土壤之間的交互作用用彈簧單元進行模擬。外罐、基礎采用實體單元模擬，內罐采用殼單元模擬，并根據此模型開展地基承載力計算、變形計算、抗滑移及穩定性計算。

整個模型共采用了11 種單元類型，分別為實體、殼、梁、彈簧、彌散鋼筋單元、離散鋼筋單元、點接觸、面接觸、目標單元、質量單元和流體單元，除流體單元外，其它所有單元(梁單元、殼單元、實體單元等)都是采用的帶中節點的高階單元。

圖1 儲罐和基礎有限元模型

LNG 儲罐基礎設計計算模型，包括土壤和基礎底板之間、土壤和樁之間、樁和基礎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行模擬，如圖2 所示。

圖2 樁-土交互作用模擬

對于天然筏基，土壤和基礎底板直接接觸，根據上部荷載分布，在計算模型里把土壤對底板的支撐力轉換成一個個微彈簧，彈簧的剛度取決于它下面的土壤力學性能。計算的精度和準確度和假定彈簧的剛度、數量及分布有關，應根據實際的邊界條件和變形協調條件，選擇合適的計算參數和未知量，在保證計算精度的情況下簡化該計算。豎向和水平向都應設置不同的彈簧支承，以抵抗相應的豎向荷載、水平荷載和彎距。需要注意的是現行的GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》中未對基礎的抗滑移穩定性做出明確規定，因此可參考GB 50135-2006《高聳結構設計規范》中對基礎的抗滑移穩定性進行校核。

上海20 萬m3LNG 儲罐采用坐地式承臺結構，需配置底部加熱裝置。加熱系統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在內的承臺加熱系統，該系統能夠保持恒量或能自我調節。承臺加熱系統應不少于2 套，若內罐泄漏，承臺加熱系統應能保證承臺下部土壤溫度不低于2 ℃。

1.2 預應力設計

儲罐大型化導致外罐的直徑增大，這將導致罐壁單位截面所需的預應力增大，預應力鋼筋束的股數相應增多。預應力鋼筋作用的路徑變長，預應力總損失將增大。有效應力從端部往中間部位逐漸減小，加劇了應力的不平衡性；因為預應力損失增大，對于20 萬m3以上的LNG 儲罐，常規的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會增加搭接面，儲罐的整體性會有一定程度的下降；另外上海20 萬m3LNG 儲罐設計持力層埋深較淺，基礎采用坐地式承臺結構，地震評估報告中的地震加速度也略小于國家地震區域劃分(7 度0.1 g)，地震力較小。基于以上分析，并結合數值分析模擬手段，上海20 萬m3LNG 儲罐仍采用4 個扶壁柱的設計方案。

此外，LNG 儲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。上海20萬m3LNG 儲罐根據超大型筒體結構受力開裂的特點，豎向波紋管采用偏心布置方案，偏向于罐壁外側。豎向波紋管距罐壁內側500 mm，外側300 mm，以有效控制罐壁外側應力。后續施工也證明了該方案的有效性和合理性。

1.3 頂梁框架設計

儲罐大型化導致外罐的直徑增加，穹頂結構受力隨著直徑增大會以平方或立方的關系增加。在設計和分析中要重點考慮薄殼結構的屈曲失效，若把適用于小體積儲罐的計算假定用于超大型儲罐可能會嚴重失真。

圖3 20 萬m3LNG 儲罐穹頂結構

頂梁框架的設計和分析是儲罐設計和大型化最關鍵的環節之一，其力學分析包括應力分析和穩定性分析。業界對應力分析的方法基本統一，但對于穩定性分析，常規做法是線性分析。這種常規方法存在屈曲特征值衡量標準不統一，計算的基本假定過多、國內外規范相關規定不一致等問題。在上海20 萬m3儲罐的詳細設計階段，采用了先進的有限元數值模擬分析技術，分別考慮材料非線性和結構非線性的特征進行了結構整體穩定性分析。充分考慮材料和結構的非線性特征，可以為穹頂優化設計提供充足的依據，有效降低工程量和升頂重量，確保20 萬m3儲罐平穩升頂。

1.4 內罐錨固帶設計

儲罐大型化導致儲罐直徑和高度的增加，結構的地震響應結果顯著增加。建造于低烈度區域的儲罐內罐一般可以不采用錨固帶設計，但儲罐不斷大型化和良好的建造區域逐步減少，內罐錨固帶設計勢必越來越普遍。

首先在內罐抗震設計結果的基礎上，對操作基準地震OBE(Operating-Basis Earthquake)、安全停運地震SSE(Safety Shutdown Earthquake)時內罐殼板的抗傾和壓縮應力分別進行校核， 當M/[D2(Wt+WL)＜1.57(其中M為傾覆力矩；D為內罐體直徑；Wt為殼體和受殼體支撐的儲罐頂部的重量；WL為可用來抵抗殼體傾覆力矩的殼體圓周上的最大介質質量)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力)時，可不設置錨固帶即可保證內罐穩定性。上海20萬m3儲罐項目在內罐結構初步計算時，SSE 工況下的殼板抗傾校核計算結果為1.64，略大于1.57，按API-620《大型焊接低壓儲罐設計與建造》中的要求，需設置錨固帶保證內罐穩定性，殼板壓縮應力均滿足要求。通過錨固帶的計算，最后確定內罐需錨固帶96 根/罐，間距2.75 m，符合GB/T 26978.1-2011《現場組裝立式圓筒平底鋼質液化天然氣儲罐的設計與建造 第1 部分：總則》(不大于3 m)最大間距的要求。

設置的錨固帶有最大間距的規范要求，增加了施工難度和時間。以后是否需要考慮非錨固罐抗傾力矩和錨固帶協同變形和起作用，優化內罐的錨固帶設計，值得進一步深入研究。

2 施工

2.1 基礎和底板

2.1.1 基巖確認

上海20 萬m3儲罐對地基承載力和變形要求很高，施工現場地形起伏和變化較大，設計時采用中風化輝長巖層作為儲罐的持力層。在儲罐基坑開挖施工中發現實際的地質情況與地勘報告描述差異較大，開挖中多處已經開挖至3 m 深度仍未發現持力層。

考慮到大型儲罐對地基的高要求和上述開挖后的實際情況，邀請地質和基礎專家現場踏勘和咨詢。專家認為塊狀的強風化巖層可以作為持力層，但建議通過試驗進一步確認其承載力和彈性模量。將現場儲罐取樣的灰褐色巖塊送往實驗室，試驗后確認強度和彈性模量滿足設計要求后才進行下一步施工，避免了過大的超挖、清理和素混凝土回填，確保了工程的質量和進度。

2.1.2 裂縫和沉降觀測

上海20 萬m3儲罐施工過程中，底板混凝土墊層和底板混凝土澆注期均位于高溫天氣，混凝土的養護和裂縫控制應重點予以關注。

由于該儲罐下基巖起伏較大，導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要求根據深度分層分區進行澆注，澆注后仍然出現了一些貫穿超寬裂縫。對此，一方面組織設計、監理和項目管理咨詢方進行分析討論裂縫成因，另一方面對裂縫寬度和沉降進行觀測，數據未見異常后，確認為非不均勻沉降引起的無害裂縫后才進行底板施工。

底板施工前考慮到之前的大型儲罐混凝土澆注后均存在不同程度的超標裂縫，且大部分施工期均處在高溫天氣。從儲罐混凝土配合比試驗階段施工方就開始考慮大體積混凝土的水化熱問題，發現按照設計的最小水泥用量320 kg/m3，1 周左右強度就超過設計強度。通過對比類似項目經驗和相關規范和文獻的研究，建議設計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。施工時整個底板分為11 塊(直徑91.5 m，厚度中間區800 mm，邊緣1 300 mm)跳倉施工，鄰板塊間隔6～7 d 后再澆注(同時對混凝土內外溫度監測，溫差滿足要求后再后續澆注)，養護時間不小于14 d(大摻量混凝土)。

上海2 個20 萬m3儲罐中，一個儲罐的罐基巖情況略差于另一個儲罐的，通過和設計、勘察、項目咨詢方及外部專家大量的討論、咨詢和確認，避免了過大超挖、清理及素混凝土回填，確保了施工質量。2 個20 萬m3儲罐底板澆注完后，超標裂縫基本沒有，沉降觀測也符合要求。

2.2 穹頂

上述1.3 中已經闡述了頂梁框架的設計和分析，其中對于穩定性的分析業內分歧較大，分歧焦點在于用線性和非線性分析進行結構優化，哪個更接近實際情況，哪個更經濟和安全。

從施工角度來看，穹頂混凝土的澆注方案對頂梁框架的應力和穩定性分析影響很大。需根據初定的施工方案，輸入計算模型來驗證方案的合理性、安全性。在保證質量和安全的前提下，盡可能縮短保壓時間，為內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，應根據混凝土供應、工期要求、質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的塌落度，一般為150±30 mm，對天氣的要求要高于墻和底板，大直徑的儲罐罐頂混凝土供應能力也是一個限制條件?；谏鲜銮闆r，上海20 萬m3儲罐穹頂考慮采用分段和分層結合的方式進行混凝土施工。擬先分段施工環梁段，厚度一次澆注到位，此時不用保壓。然后把剩余部分分為兩層，先保壓分段施工下層，等下層混凝土達到一定強度后再停止保壓，施工上層鋼筋混凝土，同時內罐可以開始施工。上下層混凝土分段應錯縫施工，避開大風和下雨天氣。以上施工方案均需等到設計方用計算軟件復核該施工工況，并對下層混凝土強度、保壓時間、最大臨時堆載等做出規定后方可予以實施。

3 結語

上海LNG 項目儲罐擴建工程中的2 個20 萬m3是國內的第二個20 萬m3儲罐項目，在自主化設計和可施工性研究上達到了更高的標準和要求。該工程儲罐建設的順利實施，為今后建造20 萬m3以上容積的LNG 儲罐在設計和施工實踐方面能提供一些思路和參考。但由于每個工程地震參數、地質條件和設計理念的差異，具體情況還需進一步分析和研究。