全混凝土LNG储罐国产化的可行性研究

谢 剑 李 响 朱俊岩

1.天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室 2.中国石油天然气管道工程有限公司

LNG储罐的建设是LNG产业链的“陆上起点，海上终点”。当前的全容式LNG储罐内罐材料多为9%镍钢，其生产与施工成本较高且施工工序复杂；相比之下，内罐采用混凝土的LNG储罐，材料易本土化，施工工期短，建造费用低。全混凝土LNG储罐在国外已有建成先例，但我国尚未开展相关研究。

全混凝土储罐（ACLNG TANK）并不是一个全新的概念，截至2004年，世界上已有9座全混凝土LNG储罐。最早的一座建在巴塞罗那，从1969年服役至今［1］，且 美 国 已 有 相 应 设 计 规 范——ACI 376—2010［2］。在20世纪70—80年代，人们对全混凝土LNG储罐有所研究。但由于当时的液化天然气市场较小，LNG储罐的投资建设计划较少，且当时的人们缺少对低温下混凝土特性的了解，所以对这种新型的LNG储罐的研究减少，造成对全混凝土罐的研究断层。目前随着全球能源的紧张，天然气这种清洁、廉价能源重新获得青睐，其中LNG储罐的投资建设也在蓬勃发展。对全混凝土LNG储罐进行研究，有利于LNG产业的发展。

1 全混凝土LNG储罐结构形式

对于全容罐来讲，全混凝土罐的主要特点是内、外罐均采用混凝土材料，内罐罐壁与底板的材料采用预应力混凝土，内罐无热角保护，罐壁与底板整体浇筑；外罐罐壁设有防潮层，外罐罐底铺设聚酯薄膜面层。为满足后张拉的要求，全混凝土罐的环形空间比内罐为9%镍钢罐的环形空间大［3］。全混凝土罐的结构见图1。

图1 全混凝土LNG储罐结构图

2 全混凝土罐的优点

全混凝土罐的应用有很多优点。首先，从材料角度讲，国内的9%镍钢材市场紧张，且9%镍钢虽已初步实现国产化，但价格依然昂贵。与之相比，混凝土材料容易获得，成本较低。其次，全混凝土罐的平行施工工序多，建造工期短（图2），因工期产生的费用相对较低（图3）。从图2可以看出，全混凝土内罐与外罐的平行施工搭接时间长，保冷结构安装与设备安装可同时进；对于9%镍钢，外罐施工即将结束时才能进行内罐施工，保冷结构安装与设备安装不存在搭接时间。常规的16×104m3储罐工期约为33个月，而全混凝土罐的建造工期约为25个月，可节省工期8个月。工期缩短可使LNG储罐提前投产，也间接减小了LNG储罐建造费用。从图3可以看出，采用全混凝土LNG储罐至少可节约20%的建造成本［3］。最后，全混凝土LNG罐可以扩大业主对承包商与设计单位的选择范围，优化LNG储罐的设计与建造市场。同时混凝土的应用在全球经验都较为成熟，人们对混凝土低温特性的认识也逐渐走向成熟［4］。

图2 不同材质LNG储罐施工工期比较图

图3 不同材质LNG储罐建造成本比较图

3 混凝土的低温特性

全混凝土罐的应用有很多优点，但实现应用需要对混凝土的低温特性有足够的了解。笔者在已有保温设备的基础上进行了低温环境下混凝土与钢材的力学性能试验、混凝土冻融循环试验、低温下混凝土与钢材的黏结性能试验、钢筋与预应力混凝土梁的受弯性能试验［5－11］。试验温度最低至－170 ℃。

3.1 材料特性

在低温环境下混凝土的抗压强度、弹性模量、抗拉强度 、峰值拉应变、抗渗性、泊松比提高［5－6］。

低温下混凝土的本构关系试验表明，素混凝土的弹性模量、强度都有所提高，但脆性加大，配置箍筋可有效改善混凝土在低温下的延性，试验提出低温环境下混凝土的本构拟合公式，有助于分析混凝土内罐在低温下的受力特性。

3.2 黏结特性

钢筋与混凝土的黏结强度影响钢筋在结构中的锚固长度及受拉性能，试验表明，极限黏结强度随温度的降低、钢筋屈服强度的增大、锚固长度的减小、混凝土保护层的增大而增大［7］。冻融循环下混凝土强度、钢筋与混凝土的黏结强度降低［8－9］。

从钢绞线与混凝土黏结试验的荷载—滑移曲线可以看出，随着温度降低，极限破坏荷载逐渐增大，表明黏结预应力构件的安全储备提高［10］。

3.3 构件受力性能

有黏结预应力混凝土梁的试验表明［11］：随着温度的降低，预应力混凝土梁的开裂荷载逐渐增大，梁的脆性特征明显，极限荷载也逐渐增大，开裂荷载的提高程度要大于极限荷载；超低温环境下，预应力混凝土梁的平截面假定仍旧适用。

低温环境下混凝土梁的试验表明：随着温度的降低，钢筋混凝土梁的开裂荷载逐渐提高，裂缝数量逐渐减少，裂缝间距增大；同一荷载下，钢筋混凝土梁的挠度及钢筋应变均随温度的降低而呈减小趋势；钢筋混凝土梁屈服荷载与极限荷载都有一定的提高，配筋率越大提高程度越大，且屈服荷载的提高程度较极限荷载提高程度更大；低温下，平截面假定依旧成立，梁延性降低。

综上所述，混凝土低温特性的研究为全混凝土LNG储罐的建造设计提供了理论支持。

4 特殊问题及相应措施

混凝土在低温环境下的力学特性支持其在低温领域应用，但在冻融循环的情况下还是会对结构产生不利影响；混凝土的液密性也是全混凝土LNG储罐应用时要着重考虑的问题。

4.1 冻融循环

在检修、维护的情况下，混凝土内罐的局部温度会有所升高，混凝土会受到冻融循环的影响。冻融循环试验表明［8］：在冻融循环的情况下，钢筋与混凝土的黏结强度、混凝土的强度随冻融循环次数的增加而降低，且高含水量的混凝土受影响较大，减小混凝土中的含水量是降低冻融循环损害的有效途径。图4为钢筋与混凝土的热变形比较图。从图4以看出，在预加压力下，混凝土与钢筋的热膨胀系数接近，且呈线性变化，所以对混凝土施加预应力，可有效提高钢筋与混凝土的黏结性能，提高混凝土耐久性［12］；快速有效的检修、维护方案、管理制度也是降低冻融损害的有效办法。

图4 钢筋与混凝土的热变形比较图［12］

据本文参考文献［13］单、双向预应力板的低温试验结果表明，双向预应力筋能减小冻融循环对混凝土的损伤。同时，使用引气剂、减小水灰比、降低含水量也可提高混凝土在冻融循环下的耐久性。

在正常运行条件下，LNG蒸发气与LNG共存，LNG储罐的环境温度在－162℃附近，由ANSYS模拟可确定，对于0.8m厚的罐壁，稳定后内罐外表面的温度在－159℃附近。内罐整体被冻透，所以不考虑冻融的影响。内罐底板与罐壁的温度分布如图5所示。

图5 混凝土内罐的温度分布图

4.2 液密性

混凝土在低温内罐应用时，液密性是混凝土内罐适用性评估的重要因素，因为它控制着LNG的损失速率以及结构的安全性［1］。ACI 376—2010规定：混凝土内罐在静水试验、正常操作、正常操作＋OBE下要满足液密性要求［2］。

混凝土的液密性主要取决于混凝土的渗透性能，而微裂缝是影响渗透的主要因素。微裂缝的产生，增加了低温液体的渗透路径，加速液体的泄漏，但是此类问题可通过混凝土材料的选择来减小不利效应。

影响渗透的主要因素有含气量、水灰比、含水量、骨料级配。骨料与含水量是影响渗透的主要因素，骨料的影响在于：骨料与水泥浆等成分的热膨胀系数不一致，使混凝土内部各成分变形不协调，导致微裂缝的产生；含水量的影响在于：冰的热膨胀变形比混凝土中的其他成分更大，高水灰比会使低温下混凝土的温度变形增大，产生微裂缝。

根据试验结果［14－16］，采用轻集料混凝土、加气混凝土、火山灰水泥、掺加粉煤灰、减小水灰比，可降低混凝土的渗透性。轻集料的热膨胀系数较低，与砂浆的系数相近，且轻集料与水泥浆的弹性模量相近，可增大骨料与水泥浆的黏结强度，同时轻集料混凝土的导热系数低、冻融循环下的耐久性好、渗透率低；“加气”的主要原理在于：气泡的体积较大，水在此空间内结冰不会与混凝土发生挤压，降低由冰膨胀引起的微裂缝的发生率；粉煤灰通过密实了微观结构的不溶性成分，来减少混凝土内部的孔隙；减小水灰比有助于减少孔隙的数量与连通性。

5 结束语

混凝土在低温下的特性支持其在LNG储罐及类似低温储罐领域的应用，其理论虽逐渐成熟，但依然缺乏大量试验支持。BS EN14620［17］规定：当有足够的试验数据做支撑，混凝土的低温力学特性才能应用于LNG储罐的设计中。所以还要深化混凝土低温力学特性的研究，包括低温环境下钢筋混凝土、预应力混凝土构件的性能等研究。同时，为了推广这种形式的LNG储罐，还应该开展以下攻关研究：①混凝土内罐的开裂情况分析；②地震作用下的内外罐整体性能分析；③按照ACI376要求对储罐进行承载能力极限状态与正常使用极限状态的模拟设计。

［1］ KOGBARA R B，IYENGAR S R，GRASLEY Z C，et al.A review of concrete properties at cryogenic temperatures：Towards direct LNG containment［J］.Construction and Building Materials，2013，47（10）：760－770.

［2］ American Concrete Institute.ACI 376－10Code requirements for design and construction of concrete structures for the containment of refrigerated liquefied gases and commentary［S］.Farmington：ACI，2010.

［3］ JACKSON G，VUCINIC K，HARWOOD D.Delivering LNG tanks more quickly using unlined concrete for primary containment［C］∥14thInternational Conference and Exhibition on Liquefied Natural Gas，21－24March 2004，Doha，Qatar.Doha：Gas Technology Institute，2004.

［4］ JACKSON G，POWELL J.A novel concept for offshore LNG storage based on primary containment in concrete［C］∥13thInternational Conference and Exhibition on Liquefied Natural Gas，14－17May 2001，Seoul，Korea.Seoul：Gas Technology Institute，2001.

［5］ 王传星，谢剑，李会杰.低温环境下混凝土性能的试验研究［J］.工程力学，2011，28（增刊2）：182－186.WANG Chuanxing，XIE Jian，LI Huijie.Experimental research on the properties of concrete under low－temperature［J］.Engineering Mechanics，2011，28（S2）：182－186.

［6］ KRSTULOVIC O N.Material behavior of concrete at cryogenic temperatures［J］.ACI Materials Journal，2007，104（3）：297－306.

［7］ 谢剑，李会杰，聂治盟，等.低温下钢筋与混凝土黏结性能的试验研究［J］.土木工程学报，2012，45（10）：31－40.XIE Jian，LI Huijie，NIE Zhimeng，et al.Experimental study on bond properties between reinforcement and concrete at low temperatures［J］.China Civil Engineering Journal，2012，45（10）：31－40.

［8］ 魏强，谢剑，吴洪海.超低温冻融循环对混凝土材料性能的影响［J］.工程力学，2013，30（增刊1）：125－131.WEI Qiang，XIE Jian，WU Honghai.Experimental analysis on properties of concrete after freeze－thaw cycles under extra－low temperatures［J］.Engineering Mechanics，2013，30（S1）：125－131.

［9］ 谢剑，魏强，李会杰.超低温冻融循环下钢筋与混凝土的黏结性能［J］.天津大学学报，2013，46（11）：1012－1018.XIE Jian，WEI Qiang，LI Huijie.Bonding properties between reinforcement and concrete after freeze－thaw cycles at extra－low temperatures［J］.Journal of Tianjin University，2013，46（11）：1012－1018.

［10］ 聂治盟.超低温环境下钢绞线与混凝土及水泥浆粘结性能试验研究［D］.天津：天津大学，2012.NIE Zhimeng.Experimental study on bonding properties between steel wire and concrete or cement slurry at cryogenic temperatures［D］.Tianjin：Tianjin University，2012.

［11］ 韩晓丹.超低温环境下预应力混凝土梁受弯承载力试验研究［D］.天津：天津大学，2013.HAN Xiaodan.Experimental study on bending capacity of prestressed concrete beam at cryogenic temperatures［D］.Tianjin：Tianjin University，2013.

［12］ PLANAS J，CORRES H，ELICES M.Thermal deformation of loaded concrete during thermal cycles from －20 ℃to－165 ℃ ［J］.Cement and Concrete Research，1984，14（5）：639－644.

［13］ BERNER D E，GERWICK B C.Static and cyclic behavior of structural lightweight concrete at cryogenic temperatures［J］.Ocean Space Utilization，1985：439－445.

［14］ BERNER D，GERWICK B，POLIVKA M.Prestressed lightweight concrete in the transport of cryogenic liquids［C］∥OCEANS′83，Proceedings，29August－1September 1983，San Francisco，California，USA.New York：Institute of Electrical and Electronics Engineers，1983.

［15］ HANAOR A.Testing of concrete specimens for permeability at cryogenic temperatures［J］.Magazine of Concrete Research，1982，34（120）：155－162.

［16］ HANAOR A，SULLIVAN P J E.Factors affecting concrete permeability to cryogenic fluids［J］.Magazine of Concrete Research，1983，35（124）：142－150.

［17］ British Standard Institution.BS EN14620－3Design 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℃—Part 3：Concrete components［S］.London：BSI，2006.