大型LNG預(yù)應(yīng)力混凝土儲罐服役期模擬分析

劉洋，程昊，肖立，張博超，黃歡

（中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100028）

作為石油的替代能源以及最干凈的化石能源，液化天然氣（LNG）除了可作發(fā)電及工業(yè)生產(chǎn)的燃料外，其包含的甲烷也是合成甲醇溶劑、農(nóng)業(yè)肥料的重要化工原料，此外，超低溫LNG在轉(zhuǎn)變?yōu)槌氐倪^程中還可提供大量的冷能，因此，近年來世界對LNG的需求逐漸增大，對LNG儲罐的研究日益增多。

大型LNG儲罐的研究方法目前以有限元軟件模擬為主，在LNG儲罐的設(shè)計以及優(yōu)化方面，張洪林[1]等人在論述了國際上常用的大型LNG儲罐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了LNG儲罐在設(shè)計和建造過程中應(yīng)重點關(guān)注的問題。Jeon S.J.、王偉玲和謝劍[2-5]等人分別以5萬方和16萬方的LNG儲罐外罐為研究對象，通過靜態(tài)分析及熱—結(jié)構(gòu)耦合分析等，對外罐受力和預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行了調(diào)整，通過比較結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，得到了受力更加合理的LNG儲罐構(gòu)造。R.Kruzic[6-7]等人研究了LNG內(nèi)罐在承載性能及焊接性能等多方面的承載及安全性能。周波[8]和劉清龍[9]通過對比國內(nèi)外不同LNG儲罐設(shè)計規(guī)范，分析了罐壁和罐底應(yīng)力對壁厚的敏感程度，并對LNG儲罐設(shè)計中存在的安全儲備進(jìn)行了討論，為大型LNG儲罐的設(shè)計和研究提供了參考。對于在位儲罐結(jié)構(gòu)的相應(yīng)方面，楊建江[10]采用有限元軟件重點考慮了泄漏工況下，液位變化對結(jié)構(gòu)位移和第一主應(yīng)力的影響。蒲玉成[11]采用ANSYS對靜力荷載下的LNG混凝土全容罐進(jìn)行了模擬，分析了儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計的力學(xué)原理以及在最不利荷載下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。李志明[12]等人使用數(shù)值模擬軟件ANSYS對泄漏工況下的LNG儲罐進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力體系優(yōu)化，為環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)置提供了合理的方式。Daniel[13]等人根據(jù)LNG儲罐的容器結(jié)構(gòu)形式、存儲狀態(tài)及泄漏方式，得出了不同物質(zhì)泄漏源模型。穆春生[14]利用大型有限元軟件ANSYS，對工程中處在風(fēng)荷載作用下的LNG儲罐內(nèi)罐與外罐進(jìn)行了應(yīng)力及變形分析。

綜上所述，前人對大型LNG預(yù)應(yīng)力混凝土儲罐的研究主要集中在結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，或是相對只關(guān)注某一工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)方面，對于LNG儲罐結(jié)構(gòu)施工完成后，整個服役期內(nèi)的LNG儲罐結(jié)構(gòu)在各工況下的響應(yīng)狀態(tài)及安全性能研究還有所不足，本文以16萬方大型LNG預(yù)應(yīng)力混凝土儲罐為例，利用有限元軟件ABAQUS建立預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)整體模型，對處在試驗工況、服役工況以及偶然工況下的LNG儲罐結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為LNG儲罐的設(shè)計及工程應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

該16萬方LNG儲罐外罐外壁直徑85.6m，內(nèi)壁直徑84m，預(yù)應(yīng)力混凝土外壁底部7m為變厚度段，厚度由0.8m變?yōu)?.65m，等厚度段墻體厚度為0.65m，承臺直徑88.6m，外側(cè)厚度為1.3m，內(nèi)側(cè)厚1.1m。穹頂半徑84m，厚度0.4m，矢高11.253m，外罐采用C50混凝土，普通鋼筋（主筋）為HRB400E鋼筋，所用預(yù)應(yīng)力鋼絞線為1×7標(biāo)準(zhǔn)型，直徑為15.7mm，極限抗拉強(qiáng)度為1860MPa。LNG儲罐外罐結(jié)構(gòu)幾何尺寸如圖1所示。

圖1 16萬方LNG儲罐

2 有限元模型

本文采用C 3 D 8 R 單元對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，該單元能夠進(jìn)行大應(yīng)變問題分析，并且能夠保證分析的精度?；炷敛捎盟苄該p傷本構(gòu)，參數(shù)如表1所示；鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋采用彈性本構(gòu)模型，彈性模量為2.1×105MPa，密度為7850kg/m3，泊松比為0.3。在進(jìn)行有限元分析時不考慮底部樁基對儲罐結(jié)構(gòu)的影響，因此將承臺底面設(shè)置為全約束。

表1 混凝土參數(shù)表

預(yù)應(yīng)力鋼絞線分為環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線及豎向預(yù)應(yīng)力鋼絞線，見圖2，其中環(huán)向預(yù)應(yīng)力80根，大致均勻分布在墻體及環(huán)梁處；豎向預(yù)應(yīng)力128根，均勻分布在半徑為42.325m的圓周上。承臺及穹頂?shù)耐ㄤ摻钤谥行奶幨纸徊娌贾?，外?cè)布有環(huán)向及徑向筋；墻體布有豎向及環(huán)向普通鋼筋。

圖2 儲罐及預(yù)應(yīng)力鋼筋有限元模型

3 工況及荷載組合

儲罐所受荷載主要包括恒載、活荷載、預(yù)應(yīng)力荷載、風(fēng)荷載、運行荷載及試驗荷載等。本文主要考慮了LNG儲罐在服役過程中常見的7種工況，每種工況下的荷載如表2所示：

3.1 恒載

混凝土、內(nèi)罐、拱頂、保冷層等涉及到儲罐本身結(jié)構(gòu)重量的荷載統(tǒng)稱為“恒載”，恒載主要包括：混凝土外罐重量、墻及底部鋼襯里重量；外罐頂襯里、頂部、頂及吊頂板保冷層重量；罐壁及底部重量；底部保冷層、承壓環(huán)梁重量；珍珠巖層重量罐頂頂部平臺及泵筒重量等。

表2 工況及荷載組合表

3.2 活荷載

罐頂活載主要包括在罐頂投影面積上的均布荷載1.2kPa以及作用于罐頂平臺或通道任何位置處一塊300×300mm2面積上的大小為5kN的集中荷載。

3.3 風(fēng)荷載

根據(jù)GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[15]給出的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk計算公式為：

式中：βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)，靜力風(fēng)荷載計算中取βz=1；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)儲罐所在地為港口附近，因而地面粗糙度為A類，在《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》風(fēng)壓高度變化系數(shù)見表3；wo為基本風(fēng)壓。按照規(guī)范規(guī)定的墻體周向以及穹頂周向風(fēng)壓分布如圖3所示：

表3 風(fēng)壓高度變化系數(shù)表

圖3 儲罐周圍風(fēng)壓分布圖

在對風(fēng)荷載進(jìn)行施加時，首先需要對周向展開角—體型系數(shù)曲線、高度—風(fēng)壓高度變化系數(shù)曲線進(jìn)行擬合（見圖3），然后通過建立ABAQUS中分析場功能來模擬隨空間位置變化和變動的風(fēng)壓場，實現(xiàn)對不同高度及不同周向展開角的風(fēng)壓進(jìn)行模擬。

3.4 運行荷載

運行荷載主要包括LNG液重荷載及設(shè)計正壓和設(shè)計負(fù)壓荷載。LNG液壓作用在內(nèi)罐壁板及底板上，LNG設(shè)計密度為0.48，設(shè)計液位33.49m，經(jīng)計算在底板施加均布荷載158kPa，在罐壁施加楔形荷載，最大值為158kPa；運行階段在外罐內(nèi)部及罐底表面的最大氣壓荷載為29kPa，以分布荷載形式均布于罐壁及底板；設(shè)計負(fù)壓大小為-1kPa，作用位置與設(shè)計正壓相同。

3.5 試驗荷載

試驗荷載主要包括水壓試驗荷載和氣壓試驗荷載。水壓試驗是檢驗內(nèi)罐液密性的重要試驗，經(jīng)計算水壓試驗高度為20.10m，作用形式與LNG液重荷載一致，底板均布荷載為197kPa；水壓試驗中正壓試驗壓力是內(nèi)罐最高設(shè)計壓力的1.25倍，面作用荷載為36.25kPa，負(fù)壓試驗壓力即為儲罐最低設(shè)計壓力，面作用荷載為-1kPa。

3.6 爆炸荷載

爆炸的壓力大小、分布及持續(xù)時間的加載方式見圖4，外罐壁及穹頂?shù)膱A周壓力滿足傅里葉級數(shù)諧波分布，沿著外壁子午線，系數(shù)為常量，沿著頂部子午線，系數(shù)呈余弦變化[16]。

圖4 爆炸荷載分布

4 服役工況下LNG儲罐結(jié)構(gòu)響應(yīng)

4.1 服役工況下LNG儲罐混凝土應(yīng)力分析

LNG儲罐在自重作用下，混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖如圖5所示。由圖5可知，穹頂最大拉應(yīng)力為1.6MPa，出現(xiàn)在外側(cè)邊緣應(yīng)力集中區(qū)域，穹頂中心區(qū)域混凝土拉應(yīng)力近似為0；外壁混凝土受環(huán)形預(yù)應(yīng)力筋影響，交替出現(xiàn)受壓區(qū)，最大壓應(yīng)力為3.08MPa，外壁頂部受穹頂?shù)膹埩ψ饔?，有向外擴(kuò)張的趨勢，最大拉應(yīng)力為1.65MPa。

圖5 儲罐混凝土應(yīng)力云圖

在LNG儲罐服役期的各種工況作用下，穹頂混凝土的應(yīng)力分布云圖如圖6所示。由圖6可知，在位儲罐在工況七下的拉壓應(yīng)力值均最大，在儲罐穹頂混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)考慮偶然工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)；穹頂混凝土在中心區(qū)域受壓，在靠近墻壁10m范圍內(nèi)，壓應(yīng)力與拉應(yīng)力均增大，在儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)重點關(guān)注穹頂邊緣的受力狀態(tài)；穹頂?shù)氖芰δＪ皆谄叻N工況下變現(xiàn)一致，在數(shù)值上存在差異，穹頂應(yīng)力在工況七下最大，工況二、四和工況五應(yīng)力較小。

圖6 穹頂應(yīng)力分布圖

LNG儲罐外壁應(yīng)力狀態(tài)如圖7所示。在外壁頂部與穹頂相連處和外壁底部10m高度處應(yīng)力較大，在設(shè)計時應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼筋，對外壁頂部可以采用外環(huán)梁固定的方式，來增大外壁頂部的強(qiáng)度。可以看出，外壁混凝土在風(fēng)荷載的作用下，混凝土拉應(yīng)力最大；外壁底部壓應(yīng)力在爆炸工況下最大。因此在外壁設(shè)計時，應(yīng)主要考慮風(fēng)荷載與爆炸荷載的影響。

(a) 最大主應(yīng)力

圖7 罐壁應(yīng)力分布圖

4.2 服役工況下LNG儲罐混凝土位移分析

LNG儲罐在自重作用下，混凝土結(jié)構(gòu)的沉降云圖如圖8所示。由圖8可知，穹頂最大沉降為5.48mm，出現(xiàn)在穹頂中心區(qū)域，四周逐漸減?。煌獗诨炷脸两递^小，在1mm以內(nèi)。

圖8 儲罐混凝土沉降云圖

LNG儲罐穹頂沉降如圖9所示。穹頂中心處沉降最大，在穹頂?shù)幕⌒螀^(qū)域，由中心向兩側(cè)逐漸減小，在30m范圍內(nèi)變化平緩；在靠近穹頂與外壁相交處，穹頂混凝土受外壁支撐作用，沉降迅速減小；在水壓試驗工況下，穹頂?shù)某两底钚。@是由于外壁底側(cè)水壓較大，外壁存在內(nèi)傾趨勢，穹頂邊受外壁擠壓，相較自重工況有為隆起的趨勢；在運行荷載與爆炸荷載同時作用時，儲罐穹頂?shù)某两抵底畲?，約為10mm。

圖9 穹頂位移曲線

在風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面、側(cè)風(fēng)面以及背風(fēng)面的混凝土外壁位移如圖10所示。對于工作狀態(tài)下的儲罐結(jié)構(gòu)，迎風(fēng)面以及背風(fēng)面的位移相對較小，而側(cè)風(fēng)面處的結(jié)構(gòu)水平位移最大，約為3.5mm，最大位移出現(xiàn)在罐底以上15m高度左右。

圖10 風(fēng)載下外罐壁位移曲線

在多種工況下儲罐外壁水平位移見圖11。其中，工況6位移為側(cè)風(fēng)面的儲罐位移，在各種情況下位移最大，在外罐底部5-20m范圍內(nèi)，外罐位移較大，建議在外壁底部適當(dāng)增加環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋來約束儲罐的變形。

圖11 外罐壁位移曲線

5 總結(jié)

本文通過有限元軟件ABAQUS對大型LNG預(yù)應(yīng)力混凝土儲罐，在服役期間多種工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析，得到的主要結(jié)論如下：

（1）LNG混凝土儲罐穹頂拉壓應(yīng)力均在爆炸荷載下最大，在設(shè)計時應(yīng)進(jìn)行偶然荷載的考慮；外壁頂部受風(fēng)荷載影響拉應(yīng)力較為顯著，外壁底部受爆炸荷載影響壓應(yīng)力較為顯著。

（2）鋼筋混凝土穹頂中心處的沉降最大，在風(fēng)荷載作用下，側(cè)風(fēng)面的位移最大；在外壁底部5-20m的范圍內(nèi)應(yīng)適當(dāng)增加預(yù)應(yīng)力環(huán)筋，來約束外壁位移。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 張洪林，李慶，蔡新宇，等.大型LNG儲罐設(shè)計及建造技術(shù)[J].石油規(guī)劃設(shè)計，2012，23(3)：33-35+49-50.

[2] Se-Jin J.,Eui-Seung P..Toward a Design of Larger Aboveground LNG Tank[J].LNG Journal.2004,4.

[3] 王偉玲. 大型LNG預(yù)應(yīng)力儲罐靜力荷載下受力性能研究[D].大慶：大慶石油學(xué)院，2009.

[4] 謝劍，張維君，呂娜娜，等.大型LNG儲罐頂部環(huán)梁的優(yōu)化設(shè)計[J].特種結(jié)構(gòu)，2011，28(5)：63-66+96.

[5] 李松海. LNG預(yù)應(yīng)力混凝土儲罐極限承載力分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2014.

[6] Rostasy.F.S.Sprenger.K.H.Strength and deformation of steel fibre reinforce concrete at very low temperature. International Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete.1981.2:47-51.

[7] Planas,J.Corres,H.,Elices.M.,Chueca.R.. Thermal deformation of loaded concrete during thermal cycles form 20 degree℃ to 165 degree℃. Cement and Concrete Research. 1984.14(5)：639-644.

[8] 周波. 大型LNG儲罐在靜力及動力工況下的有限元分析[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[9] 劉清龍. 大型LNG儲罐優(yōu)化設(shè)計與研究[D].青島：青島科技大學(xué)，2014.

[10] 楊建江，王琪. 大型LNG儲罐在內(nèi)罐泄漏工況下的有限元分析[J].特種結(jié)構(gòu)，2013，30(6)：48-52+112.

[11] 蒲玉成，蘇娟. 大型LNG預(yù)應(yīng)力混凝土儲罐的力學(xué)分析[J].港工技術(shù)，2012，49(5)：28-30.

[12] 李志明，俞然剛，王佳玲. 大型LNG儲罐外罐環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋布置優(yōu)化[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12(27)：6908-6911+6917.

[13] Daniel A.C.,Joseph F.L.. Chemical process safetyfundamentals with application[M].New Jersey:Prentice-Hall,1990: 109-110.

[14] 穆春生. LNG儲罐在靜風(fēng)和內(nèi)壓作用下受力性能分析[D].大慶：東北石油大學(xué)，2011.

[15] GB50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[16] 王釬宇，張趙君. 超大型LNG儲罐爆炸荷載動力學(xué)響應(yīng)分析[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2019，(4)：19-20.