針對LNG儲罐抗震計算中美標準轉換及計算

摘 要 對比分析了中美標準中關于LNG儲罐抗震計算內容，對國標抗震參數進行了適用于美標抗震計算的轉換，并結合實際工程項目分別應用ASCE7未定義地區抗震計算方法和抗震參數轉換計算方法進行設備抗震計算，以脈沖加速度、對流加速度值為結果評價指標，發現相較于應用ASCE7未定義地區抗震方法所得計算結果，抗震參數轉換方法所得結果值更小。

關鍵詞 LNG儲罐 地震參數轉換 抗震計算 標準轉換

中圖分類號 TQ053.2" "文獻標識碼 A" "文章編號 0254?6094（2023）01?0088?04

液化天然氣（LNG）作為一種清潔能源，廣泛應用于工業生產和日常生活中[1]。作為液化天然氣（LNG）的儲存容器，LNG儲罐因具有較高的安全性和經濟性得到了廣泛的應用?？拐鹩嬎闶荓NG儲罐完整性設計中的重要組成部分[2]。鑒于目前國內并未有針對LNG儲罐的設計規范，因此在LNG儲罐設計過程中通常以API 620[3]、API 650[4]為設計標準。對于在國內制造的LNG儲罐，因依據抗震標準不同，國內現場地震相關參數不能直接應用于API 650中，故只能依據API 650附錄E4.3中在ASCE7未定義地區方法進行計算。針對在ASCE7未定義的區域，該抗震分析計算方法中變量僅為基本加速度，結果的準確性和適用性有待考證。

筆者首先基于等效靜力法將中國抗震參數轉化為適用于API 650的抗震參數，而后對比ASCE7未定義地區抗震參數計算方法和基于等效靜力法對中國抗震參數轉換兩種計算方法所得結果的不同，以期為后續國內LNG儲罐抗震設計提供參考。

1 中美抗震計算分析及轉換

針對儲罐抗震分析和計算，在工程應用時通常采用等效靜力法進行簡化計算，即以地震反應譜理論為基礎，依照地震反應譜曲線得出地震影響系數，從而確定與地震作用等效的靜力荷載，該方法是抗震規范普遍采用的做法。下面從不同方面對中美標準中抗震計算進行分析。

1.1 地震總剪切力

標準GB 50011—2010中基于底部剪切力方法，可得設備底部總水平剪切力為：

FEk=α1Geq" " " " " （1）

式中 FEk——結構總水平地震作用標準值;

Geq——結構等效總重力載荷;

α1——相應于結構基本自振周期的水平地震影響系數值。

根據標準ASCE7?10，可得設備地震基礎剪切力V為：

V=CsW" " " " " （2）

式中 Cs——地震反應相關性;

W——有效地震重量。

將兩種標準進行轉換，即令式（1）與式（2）相等，考慮到Geq與W均為地震作用時的載荷，可認為其值相等，則可得：

α1=Cs=" " " " "（3）

式中 Ie——重要性系數;

R——地震響應修正系數;

SDS——5%阻尼，以ASCE7的方法為基礎的短時間內（T=0.2 s）反應譜響應加速度參數。

1.2 場地類別

標準API 650中根據土壤層中的平均剪切波速將場地分為A、B、C、D、E、F總計6個類別，其中剪切波速基于30 m深土壤層處測量所得。

標準GB 50011—2010中，按照土壤層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度將場地類別分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ總計4個類別，其中等效剪切波速的計算深度為20 m和覆蓋層厚度兩者之間的最小值。

為比較、轉換、統一中美標準中的場地類別，羅開海和王亞勇將中國規范的計算深度由20 m延伸至30 m，根據保持分類不變的原則，計算Ⅱ類場地各邊界點的等效剪切波速，并在計算過程中采用了一系列假定，得出中美標準中場地類別的轉化圖[5]，由圖可知中國規范的Ⅱ類場地大致相當于美國規范的C、D類場地。

1.3 地震加速度

標準GB 50011—2010中給出了基本烈度地震的地震加速度，在50年設計基準期內相應的超越概率為10%，重現期約為475年。

標準API 650中分別針對OBE、SSE工況（分別對應API 620中OLE、CLE工況）進行地震烈度參數的選取，其中OBE工況對應于國標基本烈度地震，SSE工況對應于重現期約為2 475年的地震。

將中美標準中地震加速度進行轉換，表1給出了各重現期峰值加速度的比值。

1.4 地震響應曲線

標準GB 50341—2014中給出了地震影響系數曲線，分別有上升段、平臺段、曲線下降段和直線下降段，如圖1所示。

標準API 650中給出了地震影響系數曲線，類似GB 50341—2014，亦有上升段、平臺段、曲線下降段，如圖2所示。

1.5 中美抗震標準轉換

圓筒形立式儲罐是由彈性罐體和罐內儲液組成的體系。儲罐所受的地震作用包括罐體重量產生的慣性力和儲液的動液壓力兩部分。而動液壓力又可以分為脈沖壓力和液體晃動的對流壓力[6]。

中美兩標準均基于Haroun?Housner力學模型[7]進行儲罐抗震計算。此模型將罐底與地面視為剛性連接，忽略了晃動對罐壁變形的影響，考慮液固耦連作用和罐壁彈性變形引起的短期壓力分量。可以看出該模型考慮在地震載荷作用下儲液的主要運動形式分別為對流分量、柔性脈動分量（隨罐壁同步運動部分）和剛性脈動分量（隨地面一起運動部分）。

液面晃動屬于長周期振動。我國現有的儲罐系列液面晃動周期范圍大多在3～15 s，遠大于一般結構物的自振周期，而液面晃動的阻尼卻很小，標準GB 50341—2014中所采用的反應譜是按照阻尼比為5%來確定的。

罐壁和儲液的耦連振動屬于短周期振動。一般將其簡化為梁式振動進行分析，其一階自振周期在0.1～0.5 s范圍內，與一般剛性結構物接近。

上述兩種振動基本沒有耦連振動影響，可分別求解計算。

對于脈沖周期（即短周期運動），阻尼比為5%，地震影響系數值α1為：

α1=η2αmax" " " " （4）

其中η2=1。建構物的最大加速度絕對值為：

α′max=βαmax=βγ1Acc" " " （5）

式中 Acc——設計基本地震加速度，即基本烈度對應的地面運動峰值加速度;

αmax——重現期2 475年的地震加速度值;

β——動力放大系數，取2.5;

γ1——各重現期地震地面運動峰值加速度比值。

聯立式（3）～（5），暫不考慮I/Rw，可得：

Ss=" " " "（6）

式中 Fa——基礎的加速度系數，每個周期0.2 s;

Ss——所考慮最大的地震，5%阻尼，很短時間內（0.2 s）反應譜響應加速度參數。

對于對流周期（即長周期運動），對比分析中美標準的地震響應系數曲線，可得出：

S1=" " " "（7）

式中 FV——基礎速度系數（每個周期0.2 s）;

S1——所考慮最大的地震，5%阻尼，1 s內反應譜響應加速度參數;

Tg——特征周期。

2 抗震計算對比分析

經上述分析，結合項目實例對抗震計算進行更進一步的對比分析。已知某項目現場參數如下：儲罐設計液位21.7 m，公稱直徑30 m，設備所在區域基本地震烈度為7度（0.10g），設計地震分組為第2組，場地類型為Ⅱ類。對比分析ASCE7未定義地區抗震計算方法和國標抗震參數轉換為適用于美標的計算方法，考慮到脈沖加速度、對流加速度為影響設備抗震計算的關鍵因素，因此以這兩個參數為結果評價標準。

2.1 ASCE7未定義地區抗震計算方法

標準API 650附錄E4.3中針對ASCE7未定義地區的抗震參數規定為：Ss=2.5Sp、S1=1.25Sp。其中，Sp對應基本烈度地震加速度值。

針對該項目進行計算，計算結果列于表2。

2.2 抗震參數轉換計算方法

抗震參數轉換計算公式為式（6）、（7）。相較于ASCE7未定義地區抗震計算方法，抗震參數轉換計算方法綜合考慮了場地類別（Fa與FV）及特征周期（Tg）等因素的影響，此方法更加符合工程現場實際情況。

利用式（6）、（7），對相關參數進行計算轉換，即場地類型對應D類場地，特征周期Tg=0.4 s，計算結果見表3。

對比上述兩種方法計算結果可見：對于OBE操作工況，抗震參數轉換方法計算所得脈沖加速度值（Ai）為ASCE7未定義地區抗震方法計算結果的62.5%，抗震參數轉換方法計算所得對流加速度值（Ac）為ASCE7未定義地區抗震方法計算結果的36.8%;對于SSE操作工況，抗震參數轉換方法計算所得脈沖加速度值（Ai）為ASCE7未定義地區抗震方法計算結果的83.3%，抗震參數轉換方法計算所得對流加速度值（Ac）為ASCE7未定義地區抗震方法計算結果的47.9%。

3 結論

3.1 基于等效靜力法，對中標、美標中不同抗震參數進行了統一分析，實現了國標抗震參數適用于美標抗震計算的轉換，對比結合地震響應曲線得出抗震參數轉換計算公式。

3.2 基于實際工程項目，分別應用ASCE7未定義地區抗震計算方法和抗震參數轉換計算方法進行抗震計算，以脈沖加速度和對流加速度值為結果評價指標，發現相較于應用ASCE7未定義地區抗震方法所得計算結果，抗震參數轉換方法所得結果值更小，計算結果為：對于OBE操作工況，脈沖加速度值（Ai）相差37.5%，對流加速度值（Ac）相差63.2%;對于SSE操作工況，脈沖加速度值（Ai）相差16.7%，對流加速度值（Ac）相差52.1%。

3.3 相較于ASCE7未定義地區抗震參數計算方法，抗震參數轉換計算方法綜合考慮了場地類型（Fa與FV）及特征周期（Tg）等因素，抗震參數轉換方法所得計算結果值更小，且結合工程實例應用兩種抗震計算方法驗證了上述結論，以期為后續國內LNG儲罐抗震設計計算提供參考。

參 考 文 獻

[1] 蘆曉會.雙壁低溫鋼制儲罐抗震分析研究[D].東營：中國石油大學（華東），2013.

[2] 揚帆，張超，鄧青.大型LNG儲罐內罐穩定性設計方案比選[J].油氣儲運，2012，31（11）：830-832.

[3] American Petroleum Institute.Design and Construction of Large，Welded，Low?pressure Storage Tanks：API 620[S].Washington D.C.：API，2018.

[4] American Petroleum Institute.Welded Steel Tanks for Oil Storage：API 650[S].Washington D.C.：API，2020.

[5] 羅開海，王亞勇.中美歐抗震設計規范地震動參數換算關系的研究[J].建筑結構，2006，36（8）：103-107.

[6] 程旭東.大型儲罐的抗震可靠性分析及其震害預測[D].青島：中國石油大學（華東），2010.

[7]" " HAROUN M A.Dynamic analyses of liquid storage ta?nks[D].Pasadena，CA：California Institute of Technology，1980.

（收稿日期：2022-02-11，修回日期：2023-01-07）

Conversion and Calculation of Chinese and American Standards

in Seismic Calculation of LNG Storage Tank

LIU Qing?hua， MA Shu?hui， XU Rong?gang， LIU Wu?shan

（North China Company， China Petroleum Engineering amp; Construction Co.）

Abstract" "In this paper， the anti?seismic calculation of LNG storage tanks in Chinese and American standards were contrastively analyzed， and the anti?seismic parameters of Chinese standard were converted so as to comply with the anti?seismic calculation of American standards. Through combined with actual engineering projects， the anti?seismic calculation method of areas undefined in ASCE7 and the anti?seismic parameter conversion calculation method were applied to the equipment’s anti?seismic calculation respectively; taking the pulse acceleration and convective acceleration values as the index of the result evaluation shows that， the result value of seismic parameter conversion method is smaller than that of ASCE7 undefined area seismic method.

Key words" " LNG tank， seismic parameters conversion， anti?seismic calculation， standard conversion

作者簡介：劉清華（1980-），工程師，從事石油天然氣設備設計及技術管理工作，349848029@qq.com。

引用本文：劉清華，馬樹輝，徐榮剛，等.針對LNG儲罐抗震計算時中美標準轉換及計算[J].化工機械，2023，50（1）：88-91.