欧美规范中LNG储罐设计荷载组合对比研究

2019-05-31陈胜森陈团海

煤气与热力 2019年5期

陈胜森，张超，陈团海

(中海石油气电集团有限责任公司，北京100028)

1 概述

自从2006年广东大鹏LNG项目投产以来，我国已建成投产LNG接收站近20座，建成大型LNG储罐近100座。由于LNG储罐设计技术为LNG接收站设计中最关键的技术，其设计难度较大，早期国内的LNG储罐均由CBI、IHI、TGE等国际大公司设计，随着不断地技术攻关，目前三大石油公司均已经掌握大型LNG储罐设计的核心技术。在大型LNG储罐设计规范方面，国际主流的还是欧洲规范、美国规范及日本规范，我国在这方面也做了一定的工作，包括中海石油气电集团牵头编制了国标推荐规范GB/T 26978—2011《现场组装立式圆筒平底钢质液化天然气储罐的设计与建造》及以中国寰球工程公司牵头编制的国标GB 51156—2015《液化天然气接收站工程设计规范》( 以下简称GB 51156)，这两项规范为国内LNG储罐的设计提供了一定的指导，但是由于规范数量较少且不成体系，在设计过程中还必须同时参考欧美设计规范。

关于大型LNG储罐设计荷载组合的规定，我国规范涉及较少，只有规范GB 51156对操作基准地震 (operating base earthquake, OBE)和安全停运地震 (safe shutdown earthquake, SSE)的地震荷载组合工况下水平地震和竖向地震的荷载系数进行了规定，对其他荷载并无要求，因此设计时主要参考以EN 14620—2006《工作温度0 ℃到-165 ℃的冷冻液化气体储存用现制立式圆筒平底钢罐的设计与制造》 (以下简称EN 14620)为主规范的欧洲规范体系以及以API 625—2010《低温液化气存储系统》 (以下简称API 625)、NFPA 59A—2016《液化天然气(LNG)生产、储存和装运标准》 (以下简称NFPA 59A)为主规范的美国规范体系，但是这两个规范体系在荷载组合方面存在一定的差异性。而荷载组合是LNG储罐设计的核心，设计过程中采用的荷载类型、荷载组合工况以及荷载系数直接影响设计结果，荷载组合的合理程度直接反映了各大设计公司的水平，为此本文主要对欧美规范中荷载组合的差异性进行分析，为大型LNG储罐的设计提供指导。

本文涉及的主要荷载组合标准规范有以下12项。

① EN 1991-1-1—2002，《Actions on structures -Part 1-1: General actions - Densities, self-weight, imposed loads for buildings》，《结构上的作用，第1-1部分：一般作用——建筑物的密度、自重和外加荷载》(以下简称EN 1991-1-1)；

② EN 1998-1—2004，《Design of structures for earthquake resistance- Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings》，《抗震结构设计，第1部分：建筑物用一般规则、地震作用和规则》(以下简称EN 1998-1)；

③ EN 1998-4—2006, 《Design of structures for earthquake resistance- Part 4: Silos, tanks and pipelines》,《抗震结构设计，第4部分：筒仓、贮水池和管道》(以下简称EN 1998-4)；

④ EN 1990—2002, 《Basis of Structural Design》，《结构设计基础》(以下简称EN 1990)；

⑤ EN 1992-1-1—2004, 《Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings》，《混凝土结构设计，第1-1部分：一般规程与建筑设计规程》(以下简称EN 1992-1-1)；

⑥ BS 8007—1987, 《Code of practice for design of concrete structures for retaining aqueous liquids》，《防水混凝土结构设计》(以下简称BS 8007)；

⑦ BS 8110-1—1997, 《Structural use of concrete - Part 1: Code of practice for design and construction》，《混凝土的建筑用途，第一部分：设计和建筑实用导则》(以下简称BS 8110-1)；

⑧ API 620—2013, 《Design and Construction of Large, Welded, Low-pressure Storage Tanks》，《大型焊接低压储罐的设计与建造》(以下简称API 620)；

⑨ API 650—2016, 《Welded Tanks for Oil Storage》，《焊接石油储罐》(以下简称API 650)；

⑩ ACI 376—2011，《Code Requirements for Design and Construction of Concrete Structures for the Containment of Refrigerated Liquefied Gases and Commentary》，《混凝土结构的包容式低温冷冻液化气体储罐的设计及建造规定》(笔者所译)，(以下简称ACI 376)；

2 两种规范体系中荷载组合要点

① 欧洲规范

在欧洲规范体系中，EN 14620为LNG储罐设计的主规范。该规范对储罐设计所需考虑的基本荷载及荷载组合进行了详细的说明及参照指引，设计荷载分为两大类：正常荷载及偶然荷载，其中正常荷载包括永久荷载、罐顶活荷载、风荷载、雪荷载、保冷系统压力、内部设计正压、内部设计负压(真空度)、沉降荷载、管道附属荷载、施工荷载、水压试验荷载、气压试验荷载(包括正负气压)、温度荷载、OBE地震荷载等；偶然荷载包括泄漏荷载、SSE地震荷载、火灾荷载、爆炸荷载，部分储罐建设方还会根据实际情况增加冲击荷载。

对于各荷载计算方法及荷载组合规则，则须参考规范EN 1991-1-1，在该规范中，对储罐设计的基本荷载比如永久荷载与罐顶活荷载计算进行了详细的描述，而对于地震荷载的计算则须参考规范EN 1998-1及EN 1998-4，这些荷载规范中除了给出各自荷载计算的要求外，还规定了对应的荷载在不同类型工况中的组合系数。而对于储罐设计中荷载组合及荷载系数的确定则须参考规范EN 1990。

储罐设计需要考虑两种极限状态：承载能力极限状态(Ultimate limit state, ULS)与正常使用极限状态(Serviceability limit states, SLS)，前者主要用于储罐相关的设计，后者主要用于设计校核。通常SLS工况采用标准组合即可，而对于ULS工况的组合，针对正常荷载工况、偶然荷载工况有不同的要求，并且对地震荷载工况的荷载组合进行了专门的规定。

对于正常荷载工况，其荷载组合形式如下：

(1)

式中Ed——组合后的荷载效应值

n——永久荷载数量

γG,j——第j种永久荷载Gk,j的分项系数

EGk,j——第j种永久荷载Gk,j的荷载效应值

γP——预应力荷载P的分项系数

EP——预应力荷载P的荷载效应值

γQ,1——主导可变荷载Qk,1的分项系数

EQk,1——主导可变荷载Qk,1的荷载效应值

m——非主导可变荷载数量

γQ,i——第i种可变荷载Qk,i的分项系数

Ψ0,i——第i种可变荷载Qk,i的组合系数

EQk,i——第i种可变荷载Qk,i的荷载效应值

当永久荷载Gk,j或者主导可变荷载Qk,1对结构有利时，为了考虑最不利的情况，式(1)可以变为：

(2)

(3)

式中Ψ0,1——主导可变荷载Qk,1的组合系数

ξj——永久荷载Gk,j的缩减系数

对于偶然荷载工况，其荷载组合形式如下：

(4)

式中EAd——偶然荷载的荷载效应值

Ψ1,1——主导可变荷载Qk,1的频遇值系数

Ψ2,i——第i种可变荷载Qk,i的准永久值系数

对于地震荷载工况，其荷载组合形式如下：

(5)

式中EEd——地震荷载的荷载效应值

以上式(1)～(5)给出了荷载组合的基本原则，对于各个基本荷载的荷载系数，需要通过荷载的分项系数、组合系数、频遇值系数和准永久值系数确定。基于相关规范的要求，LNG储罐设计荷载的荷载系数确定要点具体如下。

a. 对于永久荷载，主要包含储罐自重以及管道等附属构件的重量，根据规范EN 1990的附录A，永久荷载根据对结构不利和有利两种情况分别取1.35和1.00的荷载系数；对于式(3)若永久荷载对结构有利还需要考虑0.85的缩减系数，对结构不利不考虑缩减系数，因此对于该情况永久荷载的荷载系数分别为1.15和1.00。另外根据EN 14620-1表1的要求，当储罐设计的偶然荷载为控制工况时，其恒载(永久荷载)的荷载系数针对不利和有利两种情况分别取1.05和1.00。

b.对于可变荷载，无论是控制可变荷载和非控制可变荷载，其分项系数根据对结构不利和有利两种情况分别取1.50和0.00；储罐设计的风荷载、罐顶活荷载以及温度荷载这3种可变荷载，当其为非控制可变荷载时，根据规范EN 1990的表A1.1，其组合系数分别为0.60、0.70和0.60，因此这3种荷载对结构不利时其荷载系数分别为：0.90、1.05和0.90。而当偶然荷载为控制可变荷载时，根据EN 14620-1表1的规定，风荷载的荷载系数取0.30。

c.对于预应力荷载，根据规范1992-1-1的2.4.2.2款规定，正常荷载工况其荷载系数取1.30，偶然荷载工况取1.05。

d.对于LNG液压及蒸发气(BOG)气压荷载，规范BS 8007和BS 8110均有相关的规定，推荐的荷载系数为1.20和1.40，考虑到LNG储罐中对于液位及气压均有严格的要求，荷载参数准确度相对较高，因此，储罐设计时正常荷载工况下荷载系数取1.20，满罐地震工况下取1.05。

e.对于水压和气压试验荷载，规范中没有明确的要求，考虑到试验参数要求严格控制，这两个荷载的准确度相当高，荷载系数取1.05。

f.对于混凝土收缩荷载，根据规范EN 1992-1-1的2.4.2.1款，其荷载系数取1.00。

g.对于偶然荷载，根据EN 14620-1的表1，其荷载系数取1.00。

根据以上7点，基于欧标确定的ULS工况荷载组合方案见表1。

② 美国规范

在美国规范体系中，LNG储罐设计的主规范是美国石油协会编制的规范API 625及消防协会编制的规范NFPA 59A，其内罐相关的计算与设计还参考规范API 620以及API 650；对于混凝土外罐的设计，在主规范中指向美国混凝土协会编制的规范ACI 376。在美国规范中，储罐设计的荷载包括：恒载、预应力荷载、产品压力荷载(液压荷载、气压荷载、水压试验荷载、气压试验荷载)、温度荷载、建造荷载、安装荷载、调试荷载、混凝土收缩荷载、混凝土蠕变荷载、活荷载、差异沉降、环境荷载(风荷载、雪荷载)、地震荷载、爆炸与冲击荷载、火灾荷载。

表1 基于欧标的储罐设计ULS工况荷载组合方案

对于混凝土外罐在ULS工况下的荷载组合方案，ACI 376直接基于规范ACI 350和ACI 318的要求给出了荷载组合表，具体见表2。

3 两种规范荷载组合关键点对比分析

① 组合工况类型

对比表1与表2可知，在欧洲和美国规范中考虑的组合工况类型相同，均包括施工、试验、操作及偶然荷载工况，而偶然荷载工况又包括地震荷载、泄漏、火灾、爆炸及冲击荷载工况。

在每一类组合工况中包含的细项工况中略微存在一定的差别，具体如下。

a.在美标中施工工况分为外罐建造及内罐安装工况，而欧标通常只考虑外罐的建造工况，而内罐安装荷载只对施工附属构件的设计有影响，对储罐主体的外罐及内罐设计无影响，因此可以认为这两个规范中施工工况是一致的。

表2 基于美标的储罐设计ULS工况荷载组合方案

b.关于试验与调试工况，在欧标中只考虑了水压试验及气压试验工况，而在美标中还考虑了调试工况，在调试工况中主要考虑由于预冷产生的温度荷载对内罐底板局部的作用，对外罐及内罐整体结构设计几乎无影响，因此可以认为这两个规范在试验与调试工况方面是一致的。

c.在地震组合工况方面，欧标中包括2种组合工况：SSE和“泄漏+OBE”，而美标中包括3个组合工况：OBE、SSE和“泄漏+SSEaft”，虽然OBE地震荷载的荷载系数为1.3，SSE地震的荷载系数为1，但通常在“1.3×OBE”与SSE比较时，SSE地震荷载为控制荷载；而对于OBE与SSEaft荷载的比较，根据“SSEaft可以取SSE地震荷载效应的50%，SSE地震荷载不宜超过OBE地震荷载两倍[1]”的规定，“泄漏+OBE”与“泄漏+SSEaft”对储罐的荷载效应值基本相同，因此可以认为这两个规范在地震组合工况方面是一致的。

② 关键荷载的荷载系数

在欧标和美标的荷载组合方案中，需要计算的基本荷载类型均接近30种，组合工况为100～200个，每个组合工况各个基本荷载的荷载系数均存在差异。根据项目经验，恒载、地震荷载、预应力荷载及试验荷载这4种荷载对储罐混凝土外罐及桩基的设计影响较大，以下主要对比两种规范体系中这4种关键荷载的荷载系数。

a.恒载

恒载主要包括储罐自重荷载及相关附属构件重力荷载，该荷载对储罐结构的影响较大。在欧标中，对于正常荷载工况该荷载的荷载系数取1.35和1.00，对于偶然荷载工况取1.05和1.00；在美标中，对于正常荷载工况该荷载的荷载系数取1.20和0.90，对于偶然荷载工况取1.00和0.90，对于只有产品压力荷载时取1.40。整体来看，欧标中恒载的荷载系数要大于美标，这可能使得采用欧标计算时，储罐桩基在水压试验及地震工况下沉降更大，承台受到的冲剪更大，承台所需配筋面积更高。

对于储罐桩基最大沉降分析时，在美标中存在恒载及液压荷载的荷载系数均取1.40的组合工况，该工况下储罐受到的竖向荷载大于欧标中“1.35×恒载+1.2×液压荷载”及“1.35×恒载+1.05×水压试验荷载”两个组合工况，因此采用美标计算时储罐的最大沉降量更大。

b.地震荷载

地震荷载对结构设计的影响非常大，通常是储罐桩基及承台结构配筋的控制荷载，在这两种规范中SSE地震的荷载系数均为1.00，因此地震组合工况中主要看其他荷载对SSE地震荷载影响的情况，通常恒载对水平SSE有较大的影响，恒载越小SSE地震荷载效应越大。当考虑恒载对整个组合工况有利时，美标中SSE组合工况中恒载的荷载系数为0.90，欧标为1.00，因此采用美标时SSE地震荷载组合工况的荷载效应更大，主要表现为桩基配筋增多。

c.预应力荷载

通常预应力荷载对墙体受力有较大的改善作用，能够有效地降低墙体配筋，但是在局部位置则容易造成应力集中提高所需配筋面积，比如在外墙根部通常会由于底部墙体受到较大的竖向预应力导致竖向受拉而需要较大的配筋。在欧标中考虑对结构不利时，针对正常荷载工况与偶然荷载工况，预应力荷载的荷载系数分别为1.30和1.05，而在美标中所有的预应力荷载的荷载系数均为1.00，因此采用欧标计算时墙体底部的竖向配筋相对美标要大。

d.试验荷载

试验荷载对储罐结构设计有较大的影响，一方面试验荷载是100%发生的荷载，另一方面试验荷载要大于正常操作荷载，比如水压试验荷载时的液重是LNG满罐时的1.25倍，气压试验时的气压荷载为最大操作工况气压荷载的1.25倍。在储罐设计中，水压试验荷载对桩基沉降影响较大，气压试验为穹顶混凝土结构配筋设计的控制荷载，在欧标中试验荷载的荷载系数为1.05，美标中为1.20，因此采用美标时穹顶配筋面积相对欧标要大。

根据以上分析可知，对于桩基竖向荷载及其最大沉降、桩基配筋以及穹顶配筋方面，采用美标计算结果更大；对于承台、墙体底部和上部受力集中区域配筋采用欧标计算结果更大，对于墙体中部只需满足最小配筋率即可，采用两个规范的结果一致。

4 算例

以16×104m3LNG储罐为例，该储罐所在区域设防地震加速度为0.1g，储罐采用架高式承台基础，桩基类型为嵌岩桩，桩长范围为41～61 m。采用有限元软件ANSYS建立储罐三维有限元模型，见图1。在该模型中桩基全尺寸模拟，并采用三维插值法确定每根桩穿越的每层地层，桩土交互作用采用两个水平及一个竖向非线性弹簧模拟。

图1 LNG储罐三维有限元模型

采用响应谱方法对储罐进行地震响应分析，输入响应谱时考虑储罐结构中不同部位的阻尼比，通过SRSS模态组合法[1]确定储罐外罐及内罐各结构水平地震响应加速度结果，见表3。

表3 储罐地震加速度响应结果

分别根据欧标和美标对储罐的基本荷载进行计算，并根据前文确定的荷载组合方法及荷载系数确定组合工况。由于储罐桩基整体不具有对称性，因此计算水平地震时需要考虑两个水平方向的地震，采用欧标法进行组合时共176个组合工况，采用美标法进行组合时共177个组合工况。

根据以上确定的荷载计算方案提取外罐及桩基计算结果，对于外罐提取具有代表性的承台下表面径向配筋面积、墙体外侧竖向配筋面积及穹顶上表面径向配筋面积进行比较。为了准确地反映荷载对配筋面积的影响情况，对比时不考虑最小配筋率的限制，采用配筋面积实际计算值进行对比，采用欧标和美标计算所得承台、墙体及穹顶的配筋面积变化见图2～4(图中ENcode指欧洲规范，APIcode指美国规范)。

图2 承台下表面径向配筋面积随半径变化曲线

图3 墙体外侧竖向配筋面积随高度变化曲线

图4 穹顶上表面径向配筋面积随半径变化曲线

由图2可知，采用欧标和美标确定的承台下表面径向配筋面积随半径变化趋势完全一致，均在内外罐之间位置出现极大值，在数值方面采用欧标计算结果略大于美标计算结果，最大差异为12.4%。由图3可知，采用两种规范计算的墙体外侧竖向配筋面积变化趋势一致，在5 m以下均需要较大的配筋面积，5 m以上配筋面积骤降，并且在该区域两种规范计算所得配筋面积几乎完全相同；在数值方面采用欧标计算结果略大于美标计算结果，最大差异位置在墙体根部，最大差异为23.5%。由图4可知，采用两种规范确定的穹顶上表面径向配筋面积随半径的变化趋势一致，但数值方面的差异相对承台和墙体要大，在半径35 m之内采用美标的计算结果大于欧标，最大差异达到24.5%；在半径35 m之外采用欧标的计算结果大于美标，最大差异达到22.3%，由于在半径35 m之外为穹顶厚度变化段及与墙体连接段，存在大量的构造配筋，因此整体来看采用美标计算时穹顶配筋面积大。

对于桩基计算结果，选取桩身弯矩及桩基沉降量进行对比分析。选取一根长度42 m的桩，在欧标和美标两种荷载计算方案下，桩基弯矩随地层深度的变化见图5。

图5 桩基弯矩随地层深度的变化

由图5可以看出，采用两种规范计算的弯矩变化趋势完全一致，均由地表处的近4 000 kN·m至地表以下15 m处的接近0；在数值比较方面，采用两种规范计算结果的最大差异在地表位置，差异为2.6%。在桩基沉降方面，采用两种规范计算的储罐桩基竖向位移云图见图6(图中数值相应的单位为mm)，对比图6a、6b可知，采用两种规范计算时最大沉降量的差异为4.4%。