基于隔震墊技術的超大型液化天然氣儲罐內罐設計

， ， ，

(中海石油氣電集團有限責任公司， 北京 100028)

液化天然氣(簡稱LNG)作為21世紀最重要的清潔、優質、高效且安全的燃料，越來越受到全球用戶的熱捧[1]。在LNG產業迅猛發展的同時，國內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、減少儲罐區域占地面積并提高投資成本收益率。中海油氣電集團有限責任公司LNG技術研發中心正在開展以基礎減隔震技術為特色的超大容量LNG儲罐系統研究[3-4]，將成熟的隔震墊結構引入到LNG儲罐基礎上，使儲罐上部結構與基礎結構間形成柔性連接，但原有內罐設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儲罐的內罐結構設計為例，采用有限元軟件對設置隔震墊技術后的內罐進行二次設計，對有無隔震墊下內罐地震響應、壁板厚度分布規律及儲罐經濟性進行對比分析，以期為隔震墊技術在超大容量LNG儲罐內罐設計及方案決策中的應用提供參考依據。

1 LNG儲罐結構設計原則

1.1 常規結構形式

常規LNG全容儲罐主體結構由外罐和內罐2部分組成。其中，外罐為預應力鋼筋混凝土結構，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，且將儲罐的蒸發氣(BOG)損失控制在經濟合理范圍內。內罐通常是將X7Ni9鋼板焊接成頂端開口的平底圓筒結構，作為LNG裝載的主容器。外罐和內罐中間留有環向空間，填充熱傳導率低的保冷材料，控制LNG物料與外界環境的熱交換速率[5]。

在儲罐設計、建造過程中，必須根據建設場地的地質條件進行分析計算，確保儲罐結構滿足高地震力運行準地震(OBE)工況和安全停運地震(SSE)工況下的抗震性能要求[6]。尤其對于內罐結構，必須采用既滿足結構力學性能要求，又滿足施工安裝中焊接技術要求的X7Ni9板材。我國地震活動頻率高，抗震設防要求較高。若選取無隔減震措施的傳統剛性抗震結構，勢必大幅增加外罐壁、承臺、穹頂和樁等關鍵構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，Flat-bottomed Steel Tanks for the Storage of Refrigerated，Liquefied Gases with Operating Temperatures Between 0 ℃ and -165 ℃》[7]、GB/T 26978.2—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2部分：金屬構件》[8]中X7Ni9板材最大壁厚的控制要求提出了挑戰。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、蒸發率小及經濟性高的超大容量LNG儲罐的發展[2]。

1.2 隔震墊結構形式

基礎隔震技術是目前世界地震工程界推廣應用較多的成熟高新技術之一。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成[9-10]。把隔震墊安置在建筑物的結構底部和基礎(或底部柱頂)之間，可延長整個結構體系的自振周期，增大阻尼，減少上部結構的地震輸入能量，達到預期防震要求[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。通過調節隔震墊豎向和水平方向的剛度，可降低儲罐的自振頻率，延長結構體系的自振周期，從而減小上部結構的地震響應。通過增大結構阻尼，能有效吸收地震能量，降低上部結構的地震響應[9，11]。

2 LNG儲罐內罐設計工程案例

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，預應力混凝土外罐內直徑88 m，X7Ni9鋼內罐直徑86 m，內罐壁高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罐、外罐壁、穹頂及承臺為代表的罐體上部結構，樁基礎結構以及隔震墊支座結構3部分。其中，罐體上部結構采用適用于薄殼結構分析的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。樁基礎結構采用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。對隔震墊支座結構模型，選用COMBIN40單元的組合進行模擬。

2.2 內罐設計

通過有限元計算得到設置隔震墊前后內罐的地震反應譜加速度，并基于此進行了設置隔震墊前后內罐的設計，具體設計參數見表1。

表1 設置隔震墊前后LNG儲罐內罐設計參數

罐底環形板、罐底中幅板、二層底及熱角保護系統等其它構件的設計方案與內罐設計方案相同。

3 LNG儲罐內罐設計數據分析

3.1 地震響應加速度

設置隔震墊前后不同工況下內罐的地震響應加速度數據見表2，表中g為重力加速度。

表2 設置隔震墊前后不同工況下內罐的地震響應加速度

由表2可見，在隔震墊作用下，水平沖擊加速度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儲罐基礎頂端與承臺及其以上結構(簡稱上部結構)之間形成隔震層，水平剛度降低后成為柔性體系，上部結構與地面間產生相對水平滑動，進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沖擊加速度峰值呈現同步性。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 內罐壁板厚度分布

設置隔震墊前后LNG儲罐內罐壁板厚度分布見圖3。圖3中x軸的內罐壁板層號1代表內罐壁板底層，12代表內罐壁板頂層。

圖3 設置隔震墊前后內罐壁板厚度分布

由圖3可見，設置隔震墊前后內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規定的最小壁厚10 mm。但設置隔震墊后，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構抗震性能的同時，設置隔震墊后結構所需截面尺寸大幅降低，減小了X7Ni9鋼板的焊接難度和風險，提高了工程建造和施工的便利性[19-21]。

3.3 經濟性

未設置隔震墊方案下，該LNG儲罐內罐X7Ni9鋼材凈用量約2 500 t，設置隔震墊方案下內罐X7Ni9鋼材凈用量約2 300 t，總計減少約200 t，同時節省焊接材料約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，設置隔震墊方案下，可節省內罐材料費用約745萬元。

對于外罐，設置隔震墊之后，由地面經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，外罐混凝土結構的設計優化空間較大，截面尺寸以及鋼筋用量均可大幅降低，可以節省外罐費用大約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為鉸接，為不降低安全系數，建議維持相同的樁數，但截面尺寸和配筋率可適當降低，估計節約費用約900萬元。

考慮制造、安裝隔震墊的費用約1 600萬元，則該LNG儲罐總計節省約1 045萬元。由此可見，隔震墊方案在經濟性上更具優勢。

4 結語

以某接收站項目中2臺22萬m3的大容量混凝土全容LNG儲罐內罐結構設計為例，通過有限元分析，得到了設置隔震墊前后SSE和OBE工況下內罐的地震響應加速度，對比分析了設置隔震墊對儲罐內罐壁板厚度分布及相關費用的影響，分析認為：①沖擊加速度是地震作用下影響內罐壁板厚度取值的關鍵因素。在LNG儲罐基礎上設置隔震墊，可有效消耗地震能量，減少上部結構地震響應，達到隔震、消能的作用。但受水平剛度下降的影響，罐內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設置隔震墊后，內罐壁板厚度整體分布趨勢與未設置隔震墊前一致，但各同層所在內罐壁板厚度均有所下降。在不降低結構抗震性能的同時，結構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隔震墊方案在經濟性上具有一定的優勢，總計節約費用約1 045萬元。

LNG儲罐多建造在沿海地區，易受海水腐蝕作用，需定期對隔震墊進行維護和更換，但其置換難度較大，因此有必要對隔震墊的穩定性、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險。