LNG储罐研究进展及未来发展趋势*

单彤文

(中海石油气电集团有限责任公司 北京 100028)

自2006年大鹏LNG接收站投产以来，中国LNG储罐的最长运营时间已经超过11年。目前国内大型LNG储罐的数量已经达到40多个，LNG的累计进口量已超过1.5×108t，其中中国海油的进口量已经超过了1.0×108t。2017年中国天然气消费比重提高到了6.8%左右，按照国家能源局的规划，2020年这一比重将有可能达到10%。在国家的调控下，前几年放缓了LNG接收站的建设，但从2016年起又逐渐加快了进度，目前国内在建的LNG储罐有6座，2018年有望达到15座以上，其中主力罐容为16×104m3，还有2座20×104m3的国内最大储罐将在上海洋山港破土动工。

与LNG储罐建设相对应的是储罐核心技术的发展，中国已完全具备LNG储罐的自主设计能力[1],目前在常规全容储罐研究方面的成果较多，但多集中在数值模拟计算方面；超大型储罐研究成果较少，但相关研究和设计单位已经掌握27×104m3以内的全容储罐核心技术，随时可实现工程化。目前新型储罐有多种型式，如自支撑储罐、全混凝土储罐、地下储罐、海上储罐等，但在国内这些新型储罐尚未工程化应用。本文深入调研了LNG储罐的研究进展，分析了目前LNG储罐研究中的不足，并对LNG储罐未来的发展趋势进行了展望，可为今后LNG储罐研究提供有益的借鉴。

1 常规LNG储罐研究进展及未来发展趋势

常规储罐以全容储罐为主，其优点是安全性高、占地少、完整性和技术可靠性高[2-3]。图1为LNG全容储罐结构示意图。

图1 LNG全容储罐结构

1.1 研究进展

目前，有关全容储罐方面的研究多集中在全模型建模分析、地震响应分析、隔震研究、基础研究、局部构件计算以及其他偶然作用计算等方面。

1.1.1全模型建模分析

由于全容储罐的复杂性，很难用一般的理论公式进行计算推导，目前全模型建模成为储罐计算研究的重要方向，常用的软件有ANSYS、ABAQUS、LUSAS、MIDAS、ADINA等[4-5]。张超 等[6]基于仿真云平台，建立了LNG储罐全模型，并进行了多个案例分析，验证了基于云平台的LNG储罐全模型的有效性；翟希梅 等[7-11]通过建立三维有限元模型，分析了施工模板材料、施工质量、施工季节等对混凝土外罐温度应力分布的影响及其规律。

随着计算机及有限元技术的发展，全模型建模越来越精细，计算结果越来越准确。但现阶段仍需基于一定的基本假设和简化，无法做到完全的实况模拟和全模型的研究，目前多集中在将储罐的各部分进行模型细化，对各部分之间的耦合考虑仍不够充分。

1.1.2地震响应分析

全容储罐的地震响应分析，是储罐计算需要考虑的最重要的内容之一，需考虑OBE(运行基准地震)和SSE(安全停运地震)2种地震工况。最初的BS7777标准[12]对于SSE的规定为10 000年一遇，要求极高，随着储罐建设技术的成熟以及对事故概率的重新评判，在EN14620标准[13]中已将SSE的规定降为5 000年一遇，近年颁布的ACI376[14]和GB51156[15]两项标准已将SSE规定降为2 500年一遇。

在地震响应研究方面，赵欣月[16]建立了16×104m3的LNG储罐混凝土外罐的精细化模型，研究了不同工况下LNG储罐混凝土外罐的振动特性，并开展了单向、双向和三向时程地震响应分析；翟希梅 等[11]利用直接耦合法对液体单元和罐体结构进行了流固耦合约束，采用缩减法对储罐的振动特性进行了分析；周利剑 等[17]对有内罐和无内罐的LNG储罐进行了地震响应分析。

目前,储罐的地震响应研究主要分为谱分析和时程分析两部分，上述相关规范多是对谱分析的规定。实际上时程分析才更能体现储罐在整个地震过程中的受力和变形随时间的变化。目前时程分析研究的不足之处在于储罐并非独立的体系，还要考虑储罐的基础，如桩基础或浅基础等，如果将这些因素都考虑到，模型单元的数量则可能需要指数级的增长，且需要重点考虑地基模型边界的处理，如果存在边界反射，其计算结果一定是不准确的。

1.1.3隔震研究

由于储罐在抗震方面的高要求，不少学者对储罐的隔震系统开展研究，以寻求合理的隔震方案。Tsopelas等[18]、Bohler 等[19]研究了LNG储罐3种铅芯橡胶支座的隔震体系数值模型，对比了隔震结构的最大加速度；Christovasilis 等[20-21]采用简化力学模型分析了隔震与非隔震的LNG储罐，并建立了三维有限元储罐模型，分析了其计算精度，并验证了简化力学模型的有效性；孙建刚 等[22]基于反应谱设计理论建立了2种LNG储罐力学模型，推导了LNG储罐基础隔震的地震响应参数；屈长龙 等[23]分析了现有大型建筑物的减震隔震措施，并结合LNG储罐隔震工程设计的需求，提出了用于LNG储罐反应谱分析的标准复合模型。

储罐的隔震研究在基本理论上是成熟的，与其他建筑物并无不同，但是储罐有其自身的特点，即基础面积非常大。以使用了隔震垫的某项目LNG储罐为例，由于基础的收缩性，引起了隔震垫的水平变位，对隔震垫的耐久性有很大的影响，如果隔震垫发生破损，更换是非常大的难题。但是目前尚无关于隔震垫更换的研究。

1.1.4基础研究

除基础直接坐落在基岩上的储罐以外，大多数储罐基础采用的是桩基础，由于要承受地震作用下的巨大水平荷载，储罐的桩基础一般具有桩径大、桩数多的特点。在LNG储罐桩基础研究方面，王鹰[24]结合天津某LNG储罐工程，采用FLAC3D软件模拟了桩基础的工作原理，从大型LNG储罐下桩基础沉降计算方法、布桩方式、隔震设计等3方面进行了优化分析；贺超[25]根据理论分析确定了群桩基础中桩的载荷与沉降比值，采用ANSYS有限元模型建立了LNG储罐的整体模型，并进行了沉降计算；肖立 等[26]在考虑安全停运地震(SSE)荷载的基础上，计算了储罐上部结构的水平力和竖向力以及桩基础的数量，得出了一般情况下桩基础的数量受水平力控制的结论。

目前储罐基础研究所采用的方法主要是理论公式法和数值模拟法，其中理论公式法的难点在于如何对上部结构传递的载荷进行合理简化。从目前的研究成果来看，理论公式法已经形成一套比较完整的体系，对于均匀地层工况的计算精度也是满足要求的；但对于桩长变化较大的储罐基础，无论是理论公式法还是数值模拟法，都是比较难解决的问题，还需要开展更为精细的工作。

1.1.5局部构件计算

对储罐局部构件(如穹顶顶梁框架、锚固带等)的模拟计算，也是LNG储罐分析研究的一个方向。翟希梅 等[27]对LNG储罐顶梁框架系统进行了非线性载荷-位移施工过程模拟，获取了屈曲临界点处的屈曲模态形式，确定了带钢板网壳的合理初始几何缺陷形式，探讨了蒙皮钢板对网壳稳定承载力的影响，分析了相关参数对带钢板网壳稳定性的影响；肖立 等[28]基于ABAQUS有限元计算平台，以某LNG储罐为例，建立了内罐的锚固系统模型，阐述了锚固系统分析时所需考虑的载荷和载荷组合，并针对不同载荷组合工况进行了详细计算，得出了锚固系统各部分的受力情况，分析了各计算工况的差异，找出了锚固系统受力最不利位置，认为在锚固系统中不应将锚固带盖板作为受力构件考虑。

储罐全模型的研究主要考虑储罐整体，对于局部细节很难全面考虑，因此局部构件的研究和相关计算必不可少，难点在于如何设定局部构件的边界条件，如位移边界条件、温度边界条件等。目前，有关局部构件计算研究中，对于壁板疲劳分析、抗压圈预埋件、锚具局部受力分析等方面研究成果还较少。

1.1.6其他偶然作用研究

张超 等[29]基于导热、对流及辐射理论建立了LNG储罐传热物理模型，对正常运行及泄漏工况进行了分析；葛庆子 等[30]采用LS-DYNA有限元软件对飞机撞击特大型LNG储罐的全过程进行了仿真分析，考虑了外罐、保冷层及内罐的接触问题，建立了F-15战斗机模型，并以不同角度和不同速度撞击LNG储罐，结论认为一般全容储罐所能承受的最大撞击速度为160 m/s；周国发 等[31]基于ADINA建立了16×104m3的储罐和冲击导弹的有限元模型，研究了导弹的质量、初始速度、储罐外壁的配筋率及混凝土的强度等不同因素作用下储罐外罐的力学行为。

目前关于偶然作用的研究可概括为内部偶然作用(如泄漏等)和外部偶然作用(如爆炸冲击等)，其中内部偶然作用的分析已经达到定量的程度；但外部偶然作用的分析虽然有一定的数据支持，但从成熟度、模拟的精确程度方面来看仍未突破定性阶段。

1.2 目前存在不足及未来发展趋势

目前常规LNG储罐研究存在不足主要集中在以下2个方面：

1) 研究手段单一。目前的研究手段多集中在有限元软件计算方面。从科学的角度考虑，要验证研究成果的正确性，必须有2种或2种以上的研究方法得出的结果作为对比，否则仅凭1种手段得出的结果往往缺乏可信度。

2) 基本参数不明确。如前所述，LNG储罐对于地震作用要求很高，地震响应分析必须考虑OBE和SSE工况。从目前的研究成果来看，不少地震响应计算并未对此进行明确，由此可能导致的结果是对结构的安全性评价结论值得商榷。

未来常规LNG储罐研究发展趋势主要集中在以下3个方面：

1) 精细化。在构件的模拟上，为追求精度，往往需要建立数以万计的单元。未来计算机的发展使得研究人员不必过于在意控制所建LNG模型的单元数量，模型研究将逐步向精细化方向发展，模型单元数量增长趋势一定是随着计算机的发展呈指数型的增长。

2) 集成化。集成化首先得益于各有限元计算软件的不断创新发展，使得LNG储罐模拟计算中的流固耦合、热固耦合、多场耦合、动力分析、桩土相互作用等问题得以解决；其次也得益于计算机能力的增强，使得耦合计算能够顺利开展。集成化将使得LNG储罐全模型模拟的结果更加准确。

3) 多样化。随着研究的不断深入，为了验证某一种方法的准确性，必然要引入其他研究方法。除了数值计算和理论计算外，试验研究、实际监测将会逐步被应用于LNG储罐的相关研究中，目前已有某些研究机构开始着手开展相关工作。

2 超大型LNG储罐研究进展及未来发展趋势

有关大型储罐和超大型储罐的罐容，目前没有一个明确的规定。从储罐的建造情况来看，倾向于将20×104m3及以上的储罐视作超大型储罐。由于目前可利用的岸线减少，优良站址稀缺，土地审批手续复杂，新建LNG接收站的占地面积被进一步压缩，这就要求陆上LNG接收站折合成单位面积的存储量必须增加，从而使得LNG储罐向大型化发展[1]。目前江苏有1座20×104m3的LNG储罐已经投产，上海有2座20×104m3的储罐将在近期开工建设。但在超大型储罐的研究方面，尚没有太多的进展。余晓峰 等[32]基于有限元软件，建立了27×104m3的LNG全容储罐模型，对地震作用下超大型储罐的流固耦合模态进行了研究；黄海杰[33]通过精细化建模，对20×104m3的LNG储罐进行了低温效应分析，总结了温度对外罐结构的影响规律。

从本质上，如果采用全容储罐的罐型，超大型储罐和一般储罐没有大的区别,相关研究的发展趋势与全容储罐基本一致，即向精细化和集成化建模计算发展。目前世界上最大的全容储罐是KOGAS在Samcheok液化天然气接收站建造的3座27×104m3的地上全容储罐。伴随着罐容的增大，全容储罐在外形尺寸、外罐截面尺寸、内罐壁厚、锚固形式、不均匀沉降、预应力损失等方面将面临诸多挑战，因此全容罐的罐容不可能无限制地增大。国内中国石油、中国石化、中国海油等三大石油公司均已开展27×104m3储罐的研究工作。如有合适的机会，27×104m3以下的全容储罐在国内可以随时落地。

薄膜罐和地下罐也是常用的储罐结构，由于结构体系的优势，理论上来讲最大罐容可以超过全容罐，但目前对于薄膜罐和地下罐的研究还比较少，也仅是在可行性及技术经济性上与全容罐进行的对比介绍[34-35]，现阶段在国内尚无应用实例。从短期来看，薄膜罐和地下罐只能算作是一个研究方向，很难成为发展的趋势，即使国内研发机构在掌握了全容储罐的核心技术并满足企业自身需要之后，也很难在薄膜罐和地下罐研究方面持续地投入时间和精力；但从长期来看，在世界范围内薄膜罐和地下罐还是有很广阔的应用前景。

3 新型LNG储罐研究进展及未来发展趋势

新型LNG储罐主要分为3种：自支撑式LNG储罐[36]、全混凝土LNG储罐和海上LNG储罐。国内已有少量机构正在开展新型LNG储罐的研究，新型LNG储罐的研究在世界范围内也是一个比较领先的研究方向。

3.1 自支撑式LNG储罐

如图2所示，自支撑式LNG储罐采用的是复合结构内罐，在受力方面远优于一般的壁板结构，因而不再受9%Ni钢壁厚规范上限50 mm、厚板焊接难等方面限制。一方面，复合式肋片壁板可以提前预制，可节约40%以上的工期；另一方面，壁板薄，高空焊接量少，施工周期缩短。壁板厚度为等厚板，肋片及加强环结构均为小尺寸板材，材料成品要求不高，且复合内罐提高了材料力学利用率，内罐节约成本预计10%以上。可见，自支撑式储罐对于LNG储罐而言是非常好的内罐改进思路。

图2 自支撑式LNG储罐结构

3.2 全混凝土LNG储罐

全混凝土LNG储罐是将全容储罐内罐材料由9%Ni钢改为混凝土，内外罐均为混凝土结构。国外如ACI376已将全混凝土储罐设计纳入规范，也有建成的工程实例[37-39]。但目前国内对此类储罐的研究还较少。全混凝土储罐的造价低，以16×104m3全容储罐为例，可节约20%的成本[40]，且全混凝土储罐内外罐可以同时建造，可大大缩短LNG储罐的建设工期。

全混凝土LNG储罐值得今后在国内大力推广，但在相关研究方面还要从基础做起，包括混凝土低温力学性能试验、全混凝土储罐在地震作用下的动力响应、混凝土内罐开裂研究等。

3.3 海上LNG储罐

海上LNG储罐在可使用面积、稳定性、存储能力、建设周期等方面具有很大的优越性，不少国家已经把建设海上LNG终端定为大力发展的目标。从目前的研究成果来看，工程化的时机已经成熟，适合大力推广。目前我国LNG接收站选址变得越来越困难，浮式储存再气化装置(FSRU)的应用也存在诸多挑战，因此开发一种经济、灵活、实施快速、便于快速推广的海上(水上)中小型LNG接收终端技术是适应市场、应对竞争的迫切需要。

在海上LNG储罐研究方面，Haug等[41]对混凝土结构LNG海上接收终端的发展情况进行了阐述，对不同形状的附属结构以及存储结构的受力模式及特点进行了分析，总结了设计和建设过程中需要考虑的主要因素；Sullivan等[42]对重力式基础结构(GBS)(图3)接收终端和海上接收模块与陆上接收终端进行了对比，从结构的受力、基础型式、施工周期、造价和技术风险等方面进行了分析；国内相关研究机构对海上LNG储罐运输系统、通风系统、抗冰系统等方面也逐步开展了部分研究[43-45]。

图3 GBS示意图

总之，对于自支撑式LNG储罐、全混凝土LNG储罐及海上LNG储罐，由于它们的结构形式及施工方式与常规LNG储罐均不相同，需要开展更深入的基础研究，在未来研究中应重点论证结构的受力合理性和施工的可行性。

4 结论

1) 常规LNG储罐在全模型建模分析、地震响应分析、隔震研究、局部构件计算、其他偶然作用研究等方面已开展了大量的研究工作，模型趋于精细化和集成化，充分考虑了模型的整体性和局部细节，各个子结构之间的耦合作用也越来越多地应用到模型之中。未来尚需进一步研究的关键问题有：保冷材料建模计算、预应力钢筋建模计算、桩土耦合计算、地震时程分析时边界条件处理、隔震垫的耐久性及更换方法等。另外，还需要在试验研究、理论计算、实际监测分析等方面开展相应的工作，以辅助验证数值模拟计算结果的准确性。

2) 目前有关超大型LNG储罐研究的公开发表成果还不多，但相关的能源企业也已掌握超大型储罐的核心技术，如有合适的时机可随时落地。超大型的薄膜罐和地下罐适用性更广，但受制于薄膜技术和目前国内市场的需求，现阶段研究和落地的成果较少，因此从长远来看薄膜罐和地下罐的应用前景广阔，应当开展更加深入的研究。

3) 新型LNG储罐方面，自支撑储罐是对内罐设计改进的很好补充思路；全混凝土储罐在国内的研究和发展尚未引起足够的重视，应开展阶段性的基础研究，使全混凝土储罐的优势逐渐体现出来，以求早日应用；海上LNG储罐在国内外均有一定的研究成果，更适用于中小型的LNG接收终端，目前已经具备工程化的条件，但在可移动性和模块化生产方面，还需要进一步细化研究。

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