大型LNG儲罐減隔震技術現狀及發展趨勢

徐海軍

摘 要：液化天然氣（LNG）儲罐是一種大容積圓柱形儲罐，在地震活動下具有一定程度的弱點。LNG設施地震災害能對周圍居民造成災難性后果，所以，在設計LNG設施的時候必須把地震危險限制到一種可接受的極低破壞可能。

關鍵詞：LNG;大型儲罐;減隔震

一、大型LNG儲罐減隔震技術研究現狀

當前各個地區對液化天然氣應用量在持續增加，在未來發展中，LNG儲罐必然會大型化進步。通常情況下，在建設應用特大型LNG儲罐過程中需要較大的資金，占用較大的空間，并且有著較大的質量，對安全性要求也更高。僅僅一個單體LNG就需要耗費數十億元人民幣進行建設，其比一般的石化儲罐有著更強的戰略意義，如果發生地震災害造成儲罐泄露，非常容易出現安全問題，可能會由于泄露天然氣發生火災、爆炸等安全事故，還會對環境產生較大程度污染。一個16×l04m³容量的液化天然氣儲罐一旦爆炸會產生相當于廣島原子彈能量的70倍左右的能量，二減震隔震技術是當前特大型LNG儲罐結構設計的重點和難點。

當前工業與民用領域越來越廣泛地應用液化天然氣，可見LNG儲存安全性也成為了當前重點研究的問題之一。LNG有著較強揮發性，容易爆炸、易燃，所以在建設儲罐過程中對其安全等級有著嚴格要求。同時，地震這種自然災害有著強大的破壞性以及極大的偶然性，一旦地震很可能導致罐體發生破裂泄露大量超低溫液化天然氣，為此，加強儲罐在地震作用下受力情況研究以及抗震能力提升是需要重點關注及研究的內容。

復雜流體結構耦合問題是研究LNG儲罐抗震性能的核心。很多學者已經開始研究儲罐與液體間相互作用力學原理，早在1957年，Housner進行了剛性儲罐地震分析，將儲層分子假設為理想液體，那么罐壁主要受到三部分壓力，分別為流體靜壓、對流壓力以及脈壓。W.A.Nash和Haroun等在1974年到1986年間就罐的動力特性進行了有限元分析，他們認為，可以將儲液等效為附著于罐壁的附加質量。Veletsos在1974年用假定震動模式將地震激勵下彈性儲罐壁的沖擊壓力進行了簡化計算。Veletsos和Yang在1976年利用殼單元理論將Veletsos模型的罐體結構進行優化。目前，1983年Haroun基于Housner模型建立的Haroun-Housner力學理論模型是當前大多數學者認同并且在實際中應用較多的理論，這種方法能夠簡化流固耦合問題，從而將計算額外固體震動質量工作量極大地減少。HamishDouglas等在外罐結構計算中用集中質量法進行五質點模型優化，建立了LNG儲罐等效模型，該模型具有隔振結構。

當前研究層間隔振結構的成果仍然存在一定不足，很多研究理論結果都沒有工程實踐作為基礎。周福霖院士以實際工程與科研項目為基礎研究了隔震體系，認為將隔震層設置在低的位置也就越能夠發揮良好的隔震效果。祁皚等以層間隔震結構的等效模型為基礎對層間隔震結構動力特征影響因素進行了討論分析。認為層間隔震結構減震效果很大程度上受到隔震層阻尼比的影響，并且減震效率和結構阻力比成正比。李向真等采用瞬態分析方法分析了已有的層間隔震結構，得到結果顯示，上部結構減震效果受到層間隔震結構影響。

二、未來發展趨勢

（一）LNG罐體抗震性能研究

在地震作用下，儲罐性能十分復雜。通常情況下，研究者的研究重點主要放在了三個方面，其一是液體和罐壁之間的作用，其二是罐體復雜高度非線性提離，其三是晃動波高。在研究LNG儲罐自身抗震性能上通過數值模擬與振動臺實驗來研究結構非線性地震響應，實現LGN罐體抗震性能分析，對罐體受力機理和損傷演化規律進行了深入研究，就罐體結構受到外罐-內罐-液體耦合作用所產生的規律性變化進行了研究，分析了地震烈度結構動力響應在空罐、半罐、滿罐等工況下的差異，就LNG罐體抗震性能進行了全面揭示。

（二）消能減震與隔震技術研究

在工程結構領域，減震隔震技術已經有著較為廣泛的研究，減震隔震技術類型可以根據原理、設計方法、耗能不見等進行劃分。LNG罐體隔震減震技術的選擇需要根據動力荷載作用下受力特征和抗震性能進行合理地選擇，同時消能減震裝置也要確定。在LNG罐體薄弱部位可以合理地應用現有能夠滿足隔震減震要求的隔震支座或者阻尼器，從而實現抗震性能增強、液體晃動波高減小的效果。如果建設過程中無法滿足性能指標要求，可以將LNG罐體抗震隔震裝置進行改進或者研發，然后利用試驗達到減震裝置合格的目的，最終將其應用于隔震減震中。

（三）適用于LNG罐體防震減災技術的應用

加強傳統儲罐設計從而將地震所產生作用力抵消，達到提高儲罐抗震性能的效果。在設計中進行減震操作可以利用阻尼比和附加彈性合理設置將向上部傳播的加速度減少，進而減輕地震產生的損害。在大部分地震運動共振范圍中大型LNG儲罐頻率范圍大概都介于2～10Hz。在設計建造LNG儲罐過程中，受到液化天然氣危險性特點的影響要對儲罐塑性變形進行嚴格地控制，避免超過變形標準要求，為此，需要謹慎地完成塑性設計。我國當前在設計建設特大型LNG儲罐項目中通常會選擇較為偏僻的區域，往往有著十分復雜的場地條件，很多地區是填海造地、軟土地區，為了保證儲罐基礎穩定性需要采用合理的方法進行基礎處理，從而保證基礎穩定性，能夠足夠抵抗地震力。在LNG儲罐建設中，其需要受到各種復雜的力的影響，為了保證LNG儲罐抗震安全性，需要采取有效的隔震抗震措施，在儲罐建設中，需要根據當地的實際情況進行隔震方案的設計，將土地利用面積提高，做好鋼結構材料的焊接質量控制，并且盡量建設焊接接頭，同時加強對建設費用的管控，盡量提升工程經濟效益。

三、結語

LNG儲罐遭受地震力的破壞會發生泄漏等問題，嚴重危害到周圍環境以及居民的安全。如果地震固有周期和卓越周期有著較大的差距那么地震不會過多影響到儲罐的穩定性，基本不會晃動到儲罐內部液體的液面，能夠保證罐體和固體相互之間作用，避免發生嚴重問題。通常情況下不用考慮這種情況產生的影響，該情況下基本不會破壞儲罐。不過如果地震動卓越周期與儲罐的固有周期十分接近那么會發生共振現象，共振一旦發生就會嚴重晃動罐體內的液體，液體的晃動對罐壁會產生強大的沖擊力，導致罐壁應力急劇增加，出現嚴重的變形情況，甚至破壞罐體的整體性，發生泄漏問題，并且造成火災、爆炸等嚴重事故，嚴重損害環境和經濟。在未來發展中，應當加強對隔震抗震技術的研究，為大型儲罐建設安全性提供保障。

參考文獻：

[1]程旭東，王子棟，馬川，王洪杰，張如林.大型LNG儲罐外罐長期預應力損失分析[J].天然氣工業，2018，38（11）：97-105.

[2]李兆慈，陶婧瑩，冷明，李小紅，張娜.LNG儲罐混凝土外罐穩定工況載荷及應力分析[J].天然氣工業，2018，38（11）：89-96.

[3]丁昌，呂林鵬，桂許龍，吳學紅.全容式LNG儲罐應力分析及底部優化設計[J].低溫與超導，2018，46（08）：12-16.

[4]單彤文.LNG儲罐研究進展及未來發展趨勢[J].中國海上油氣，2018，30（02）：145-151.

[5]徐艷華，彭文山，李金娟，曹學文.大型LNG儲罐預冷數值模擬[J].石油與天然氣化工，2018，47（01）：51-59.