大型LNG预应力混凝土储罐服役期模拟分析

刘洋，程昊，肖立，张博超，黄欢

（中海石油气电集团有限责任公司， 北京 100028）

作为石油的替代能源以及最干净的化石能源，液化天然气（LNG）除了可作发电及工业生产的燃料外，其包含的甲烷也是合成甲醇溶剂、农业肥料的重要化工原料，此外，超低温LNG在转变为常温的过程中还可提供大量的冷能，因此，近年来世界对LNG的需求逐渐增大，对LNG储罐的研究日益增多。

大型LNG储罐的研究方法目前以有限元软件模拟为主，在LNG储罐的设计以及优化方面，张洪林[1]等人在论述了国际上常用的大型LNG储罐结构的基础上，提出了LNG储罐在设计和建造过程中应重点关注的问题。Jeon S.J.、王伟玲和谢剑[2-5]等人分别以5万方和16万方的LNG储罐外罐为研究对象，通过静态分析及热—结构耦合分析等，对外罐受力和预应力筋进行了调整，通过比较结构的受力状态，得到了受力更加合理的LNG储罐构造。R.Kruzic[6-7]等人研究了LNG内罐在承载性能及焊接性能等多方面的承载及安全性能。周波[8]和刘清龙[9]通过对比国内外不同LNG储罐设计规范，分析了罐壁和罐底应力对壁厚的敏感程度，并对LNG储罐设计中存在的安全储备进行了讨论，为大型LNG储罐的设计和研究提供了参考。对于在位储罐结构的相应方面，杨建江[10]采用有限元软件重点考虑了泄漏工况下，液位变化对结构位移和第一主应力的影响。蒲玉成[11]采用ANSYS对静力荷载下的LNG混凝土全容罐进行了模拟，分析了储罐结构设计的力学原理以及在最不利荷载下的结构响应。李志明[12]等人使用数值模拟软件ANSYS对泄漏工况下的LNG储罐进行了预应力体系优化，为环向预应力筋的设置提供了合理的方式。Daniel[13]等人根据LNG储罐的容器结构形式、存储状态及泄漏方式，得出了不同物质泄漏源模型。穆春生[14]利用大型有限元软件ANSYS，对工程中处在风荷载作用下的LNG储罐内罐与外罐进行了应力及变形分析。

综上所述，前人对大型LNG预应力混凝土储罐的研究主要集中在结构的优化，或是相对只关注某一工况下的结构响应方面，对于LNG储罐结构施工完成后，整个服役期内的LNG储罐结构在各工况下的响应状态及安全性能研究还有所不足，本文以16万方大型LNG预应力混凝土储罐为例，利用有限元软件ABAQUS建立预应力混凝土结构整体模型，对处在试验工况、服役工况以及偶然工况下的LNG储罐结构进行分析，为LNG储罐的设计及工程应用提供参考。

1 工程概况

该16万方LNG储罐外罐外壁直径85.6m，内壁直径84m，预应力混凝土外壁底部7m为变厚度段，厚度由0.8m变为0.65m，等厚度段墙体厚度为0.65m，承台直径88.6m，外侧厚度为1.3m，内侧厚1.1m。穹顶半径84m，厚度0.4m，矢高11.253m，外罐采用C50混凝土，普通钢筋（主筋）为HRB400E钢筋，所用预应力钢绞线为1×7标准型，直径为15.7mm，极限抗拉强度为1860MPa。LNG储罐外罐结构几何尺寸如图1所示。

图1 16万方LNG储罐

2 有限元模型

本文采用C 3 D 8 R 单元对混凝土结构进行模拟，该单元能够进行大应变问题分析，并且能够保证分析的精度。混凝土采用塑性损伤本构，参数如表1所示；钢筋及预应力筋采用弹性本构模型，弹性模量为2.1×105MPa，密度为7850kg/m3，泊松比为0.3。在进行有限元分析时不考虑底部桩基对储罐结构的影响，因此将承台底面设置为全约束。

表1 混凝土参数表

预应力钢绞线分为环向预应力钢绞线及竖向预应力钢绞线，见图2，其中环向预应力80根，大致均匀分布在墙体及环梁处；竖向预应力128根，均匀分布在半径为42.325m的圆周上。承台及穹顶的通钢筋在中心处十字交叉布置，外侧布有环向及径向筋；墙体布有竖向及环向普通钢筋。

图2 储罐及预应力钢筋有限元模型

3 工况及荷载组合

储罐所受荷载主要包括恒载、活荷载、预应力荷载、风荷载、运行荷载及试验荷载等。本文主要考虑了LNG储罐在服役过程中常见的7种工况，每种工况下的荷载如表2所示：

3.1 恒载

混凝土、內罐、拱顶、保冷层等涉及到储罐本身结构重量的荷载统称为“恒载”，恒载主要包括：混凝土外罐重量、墙及底部钢衬里重量；外罐顶衬里、顶部、顶及吊顶板保冷层重量；罐壁及底部重量；底部保冷层、承压环梁重量；珍珠岩层重量罐顶顶部平台及泵筒重量等。

表2 工况及荷载组合表

3.2 活荷载

罐顶活载主要包括在罐顶投影面积上的均布荷载1.2kPa以及作用于罐顶平台或通道任何位置处一块300×300mm2面积上的大小为5kN的集中荷载。

3.3 风荷载

根据GB50009-2012《建筑结构荷载规范》[15]给出的风荷载标准值wk计算公式为：

式中：βz为高度z处的风振系数，静力风荷载计算中取βz=1；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数储罐所在地为港口附近，因而地面粗糙度为A类，在《建筑结构荷载规范》风压高度变化系数见表3；wo为基本风压。按照规范规定的墙体周向以及穹顶周向风压分布如图3所示：

表3 风压高度变化系数表

图3 储罐周围风压分布图

在对风荷载进行施加时，首先需要对周向展开角—体型系数曲线、高度—风压高度变化系数曲线进行拟合（见图3），然后通过建立ABAQUS中分析场功能来模拟随空间位置变化和变动的风压场，实现对不同高度及不同周向展开角的风压进行模拟。

3.4 运行荷载

运行荷载主要包括LNG液重荷载及设计正压和设计负压荷载。LNG液压作用在內罐壁板及底板上，LNG设计密度为0.48，设计液位33.49m，经计算在底板施加均布荷载158kPa，在罐壁施加楔形荷载，最大值为158kPa；运行阶段在外罐内部及罐底表面的最大气压荷载为29kPa，以分布荷载形式均布于罐壁及底板；设计负压大小为-1kPa，作用位置与设计正压相同。

3.5 试验荷载

试验荷载主要包括水压试验荷载和气压试验荷载。水压试验是检验內罐液密性的重要试验，经计算水压试验高度为20.10m，作用形式与LNG液重荷载一致，底板均布荷载为197kPa；水压试验中正压试验压力是內罐最高设计压力的1.25倍，面作用荷载为36.25kPa，负压试验压力即为储罐最低设计压力，面作用荷载为-1kPa。

3.6 爆炸荷载

爆炸的压力大小、分布及持续时间的加载方式见图4，外罐壁及穹顶的圆周压力满足傅里叶级数谐波分布，沿着外壁子午线，系数为常量，沿着顶部子午线，系数呈余弦变化[16]。

图4 爆炸荷载分布

4 服役工况下LNG储罐结构响应

4.1 服役工况下LNG储罐混凝土应力分析

LNG储罐在自重作用下，混凝土结构的应力分布云图如图5所示。由图5可知，穹顶最大拉应力为1.6MPa，出现在外侧边缘应力集中区域，穹顶中心区域混凝土拉应力近似为0；外壁混凝土受环形预应力筋影响，交替出现受压区，最大压应力为3.08MPa，外壁顶部受穹顶的张力作用，有向外扩张的趋势，最大拉应力为1.65MPa。

图5 储罐混凝土应力云图

在LNG储罐服役期的各种工况作用下，穹顶混凝土的应力分布云图如图6所示。由图6可知，在位储罐在工况七下的拉压应力值均最大，在储罐穹顶混凝土结构设计时，应考虑偶然工况下的结构响应；穹顶混凝土在中心区域受压，在靠近墙壁10m范围内，压应力与拉应力均增大，在储罐结构设计时，应重点关注穹顶边缘的受力状态；穹顶的受力模式在七种工况下变现一致，在数值上存在差异，穹顶应力在工况七下最大，工况二、四和工况五应力较小。

图6 穹顶应力分布图

LNG储罐外壁应力状态如图7所示。在外壁顶部与穹顶相连处和外壁底部10m高度处应力较大，在设计时应当适当增加环向预应力钢筋，对外壁顶部可以采用外环梁固定的方式，来增大外壁顶部的强度。可以看出，外壁混凝土在风荷载的作用下，混凝土拉应力最大；外壁底部压应力在爆炸工况下最大。因此在外壁设计时，应主要考虑风荷载与爆炸荷载的影响。

(a) 最大主应力

图7 罐壁应力分布图

4.2 服役工况下LNG储罐混凝土位移分析

LNG储罐在自重作用下，混凝土结构的沉降云图如图8所示。由图8可知，穹顶最大沉降为5.48mm，出现在穹顶中心区域，四周逐渐减小；外壁混凝土沉降较小，在1mm以内。

图8 储罐混凝土沉降云图

LNG储罐穹顶沉降如图9所示。穹顶中心处沉降最大，在穹顶的弧形区域，由中心向两侧逐渐减小，在30m范围内变化平缓；在靠近穹顶与外壁相交处，穹顶混凝土受外壁支撑作用，沉降迅速减小；在水压试验工况下，穹顶的沉降最小，这是由于外壁底侧水压较大，外壁存在内倾趋势，穹顶边受外壁挤压，相较自重工况有为隆起的趋势；在运行荷载与爆炸荷载同时作用时，储罐穹顶的沉降值最大，约为10mm。

图9 穹顶位移曲线

在风荷载作用下，结构迎风面、侧风面以及背风面的混凝土外壁位移如图10所示。对于工作状态下的储罐结构，迎风面以及背风面的位移相对较小，而侧风面处的结构水平位移最大，约为3.5mm，最大位移出现在罐底以上15m高度左右。

图10 风载下外罐壁位移曲线

在多种工况下储罐外壁水平位移见图11。其中，工况6位移为侧风面的储罐位移，在各种情况下位移最大，在外罐底部5-20m范围内，外罐位移较大，建议在外壁底部适当增加环向预应力筋来约束储罐的变形。

图11 外罐壁位移曲线

5 总结

本文通过有限元软件ABAQUS对大型LNG预应力混凝土储罐，在服役期间多种工况下的结构响应进行分析，得到的主要结论如下：

（1）LNG混凝土储罐穹顶拉压应力均在爆炸荷载下最大，在设计时应进行偶然荷载的考虑；外壁顶部受风荷载影响拉应力较为显著，外壁底部受爆炸荷载影响压应力较为显著。

（2）钢筋混凝土穹顶中心处的沉降最大，在风荷载作用下，侧风面的位移最大；在外壁底部5-20m的范围内应适当增加预应力环筋，来约束外壁位移。

◆参考文献

[1] 张洪林，李庆，蔡新宇，等.大型LNG储罐设计及建造技术[J].石油规划设计，2012，23(3)：33-35+49-50.

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

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[16] 王钎宇，张赵君. 超大型LNG储罐爆炸荷载动力学响应分析[J].中国石油和化工标准与质量，2019，(4)：19-20.