全容式LNG储罐混凝土外罐的罐壁罐顶厚度取值研究.pdf

l 6 石 油工 程 建 设 李金光，郑建华，姚国明，李林凯 ( 中国寰球工程公司，北京1 0 0 0 2 9 ) 摘 要 ：全容式 L N G储罐的混凝土外罐是 由圆形底板、圆柱形预应力罐壁和穹形罐顶组成的超静 定结构。在进行混凝土外罐的有限元分析时必须先确定外罐的几何尺寸这些几何尺寸的合理 与否关系到计算分析的效率。通过对外罐在起控制作 用的荷载作用下的受力特性分析 结合不同 设计极限状态下的强度和正常使 用要 求及各 自的荷载系数 推导 了罐顶厚度、罐顶腋部厚度和罐 壁厚度的计算公式。研究结果已应用到江苏 L NG 、大连 L N G的工程设计中证明是正确的 关键词 ：全容式 L N G储罐 ；外罐 ；厚度取值 ；有限元分析 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 - 2 2 0 6 2 0 1 2 0 3 0 0 5 0 弓 l 言 全容式 L N G储罐是 由钢质内罐和混凝 土外罐 组成的联合体 ( 见图 1 ) 【 n 其 内罐作为主容器用来 盛装低温 L N G液体 ；混凝土外 罐作为次级容器 为 L N G的存储提供安全 的内部操作环境 保护 内 罐免遭外部灾难事件的破坏 且在内罐破裂时能提 供安全保护 ，防止液体泄漏到罐外。 图 1 全容式 L NG储罐示意 罐壁 罐壁 混凝土外罐是由圆形底板 、圆柱形预应力罐壁 和穹形罐顶组成的超静定结构 且其受力状况比较 复杂 ，既要承受正常操作荷载 、试水试压等施工荷 载的作用 ，还要承受外部爆炸荷载 、飞行物冲击 、 地震 、外部火灾和内罐泄漏等异常作用，因此 ，在 对其进行工程设计 时无法通过简单的分析获得其 在各个工况下的力学特性 而必须借助有限元方法 来对其进行大量的数值分析 在进行混凝土外罐的 有限元分析时，必须先确定外罐的几何尺寸 建立 分析模型 然后才 能进行各种荷 载工 况的受力分 析。这些几何尺寸的合理与否关系到计算分析的效 率 若尺寸不合适 ，还需修改模型 重新分析 本文通过对外罐在起控制作用的荷载作用下的 受力特性分析 结合不同设计极限状态下的强度和 正常使用要求及各 自的荷 载系数 推 导了罐顶厚 度 、罐顶腋部厚度和罐壁厚度的计算公式 。 1 混凝土外罐的基本尺寸和计算参数 1 1 混凝土外罐的基本尺寸 混凝土外罐 的基本尺寸见图 2 注 ：D为外罐 的内直径， m；t 为罐顶 中心部 位 的厚 度， m；t h 为罐 顶腋部 的厚度 m；t 为罐壁的厚度 m；0为罐顶腋部 的倾 角 ( 。 ) ；R 为罐 顶 的 曲率半 径 m，一般 情 况下 ，R 的取 值 为 ( 0 81 2)D。 图2混凝土外罐的几何尺寸 第 3 8卷第 3期 李金光等 ：全容式 L N G储罐混凝土外罐的罐壁罐顶厚度取值研究 1 7 1 2 对厚 度取值 起控 制作 用的荷 载 工 况 对混凝土外罐 的截面厚度取值起控制作用的荷 载主要 有 ： ( 1 )罐顶混凝土 自重 q ，其计算公式为 q c = P 。 g t 1 0 0 0 k P a ) ，可近似取 q c =2 5 f ，该荷载使罐顶 截面 受 压( 式 中 P 。 为 混 凝 土密 度 ( k g m ) ，g为 重 力加速度 ，取 9 8 1( m s 2 ) ，t 为罐顶厚度 m) 。 ( 2 )正常操作阶段的蒸气内压 q ( k P a ) ，一般 取 2 9 k P a 该荷载使罐顶和罐壁截面受拉。 ( 3 )气压试验 时的气 体 内压 q ， ，一般取 1 2 5 倍的蒸气 内压 ，即 3 6 2 5 k P a ，该荷载使罐顶和罐 壁截面受拉 ( 4 )内罐泄漏后 液体 对罐壁 的静水 压力 钆， 计算公式为 q L = p L gH 1 0 0 0( k P a ) ，该荷载使罐 壁截面受拉 ( 式中P 为液体密度 ( k g m， ) ，H 为液 体 高度， m) 。 ( 5 )施加 于罐壁的环向预应力荷载 q ，该荷 载除用来平衡蒸气 内压 口 和静水压力 q L 对罐壁产 生 的拉力外 还对罐壁施加 l MP a t 3 1的附加压应 力 。 1 3各荷 载 工况对应 的荷 载 系数 在设计极 限状 态 U L S( 承 载力极限状态 )和 S L S( 正常使用极 限状态 )条件下 各荷载工况对 应于外罐的罐顶和罐壁有不同的荷载系数分述如 下 ： ( 1 )混凝土 自重荷载系数 ，对 S L S状态计 算 ，取 1 O ：对 U L S状态计算 ，因为 自重使罐顶受 压 ，属于有利作用 ，故其值取 1 O 。 ( 2 )蒸气 内压荷载系数 ，对 S L S状态计算 ， 取 1 0 ：对 U L S状态计算 因为蒸汽压力使罐顶和 罐壁受拉 ，属于不利作用 故其值取 1 - 4 。 ( 3 )气压试验荷载系数 ，对 S L S状态计算 ， 取 1 0 ：对 U L S状态计算 因为内部气压使罐顶和 罐壁受拉，属于不利作用，故其值取 1 2 。 ( 4 )预应力 荷载 系数 ，对 S I S状态 计算 ， 在气压试验工况时取 1 2 。在操作工况时取 1 1 ：对 U L S状态计算 ，在正常荷载作用时 ，取 1 2 ；在大 泄 漏情 况下 取 1 0 5 ( 5 )液体静水压力荷载系数 y ，取 1 0 。 2 厚 度取值 计算 2 1 罐顶厚度 的计算 罐顶所受 的荷载主要为罐顶混凝土 自重 口 、正 常操作 阶段的蒸气 内压 q ( k P a )和气压试验时的 气体 内压 q ( k P a ) 。其计算原则为 ： ( 1 )承载力极限状态( U L S )计算 ，允许混凝 土受拉开裂 ，拉力全部 由钢筋承担。 ( 2 )正常使用极限状态( S L S )计算 ，不允许 混凝土受拉开裂 拉力 由钢筋和混凝土共同承担 。 2 1 1 U L S状 态计 算 内压使罐顶受拉 自重使罐顶受压 因此荷载 组合后的值 q u r s 应取下面两组组合 g 、g 中的较大 值。 g l =M ( U L S )q 一 。( U L S )q = 1 23 6 2 5 1 02 5t =4 3 5 2 5 ( k P a ) q 2 = ( U L S )g 一 ( U L S )q = 1 42 91 02 5 t =4 0 62 5 t ( k P a ) 可见，q l q 2 ，故令 q 吣 =q 1 。 罐顶截面单位宽度上的拉力 ( k N) ： ： t r 1 0： 坠 ( 1 ) r 二 截面所需的钢筋面积为 A ( mm ) ： A ： ： ： 二 2 一 1 0 0 0 ( 2 ) ,m ，t t， J r z J y 式 中 钢筋的抗拉强度设计值 MP a 。 2 1 2 S L S状态计算 g 1 = ( S L S )q 一 。( S L S )q = 1 03 6 2 5 1 02 5 t = 3 6 2 52 5 t q 2 = ( S L S )g 一 ( S L S )q 。 =1 02 9 1 0 2 5 t =2 92 5 t 可见 ，q q ： ，故令荷载组合 q s r s =q 。 。 罐顶截面单位宽度上的拉力 ( k N) ： ： 旦 ： ( 3 ) r 二 混 凝 土拉应 力应 满足下 式 ： A+ ( E 一 1 )A ( 4 ) 式中 混凝土的轴心抗拉强度标准值 MP a ； r一 钢筋与混凝土的弹性模量比值， O E s E ； 混凝土的截面面积 ， m 。 将( 2 )式和( 3 )式代人( 4 )式可得罐顶厚 度 的计算公式 ： 粉 = q t R R ( ( f v - ( T t 一( U 1 L ) S ) ) (+ 2 a E -0 0 1 o ) f tk 万) ( 5 ) q R( 一 ( E 一 1 ) ) + 2 0 O O l 8 石 油工 j c建 设 2 2 罐顶腋部厚度 t h 的计算 腋部厚度 t 的受 荷工况和计算 原则与罐顶厚 度 相 同。假设腋部 与水 平方 向的夹角为 0 ，则 s i n 0=D 2 R 。 2 2 1 U L S状 态计算 腋 部 截面单 位宽度 上 的拉力 ( k N) ： 1 T D = = ( 6 ) 截 面所需 的钢 筋面积 A ( mm ) ： 争 ： 鼍 ( 7 ) 2 2 2 S I S状 态计 算 腋部截面单位宽度上的拉力 ( k N) ： 仃 F s r s ： = 混凝 土拉应力应 满足( 4 )式 ，将( 7 )式 和 ( 8 )式代入( 4 )式可得腋部厚度 t ( I n )的计算公 式 ： t h D X 4( 3 6 2 5 2 5 t ) s i n 0 一( 1 ) X( 4 3 52 5 t 40 0 0 s i n 0 ( 9 ) 2 3 罐壁厚度 的计算 罐壁的厚度 t 主要 由环 向受力决定 ，竖 向受 力可通过竖向预应力来调节 所 以不起控制作用 。 罐壁所受 的环 向荷载主要为正常操作 阶段的蒸气 内 压 g 、气压试验时的气体 内压 g 、内罐泄漏后液体 对罐壁 的静水压力 q L 和施加于罐壁的环向预应力 荷载 口 。其计算原则为 ： ( 1 )承载力极限状态 ( U L S )计算 ，大泄漏情 况 下混凝 土 内壁受 拉开 裂后 外部 受压 区高 度不小 于 1 0 0 mm 4 1 ，同时混凝土压应力不超过 几。 ( 2 )正常使用极 限状态( S L S )计算 ，在预应 力下 罐壁环 向受压 为了避免 出现纵 向压缩裂 缝 、微 观 裂 缝 和 较 高 的徐 变 ，有 必 要 设 置在 正 常 使用 阶段 的混凝土压应力 限值 ，该 限值不应超过 0 ( 为混凝土立方抗压强度标准值 ) _ q 。 2 3 1 预应力荷栽 口 。 计算 预应力荷载 口 的取值应取下面两组荷载组合值 的较大值 ： q 1 =y ( U L S )g =1 2 X 3 6 2 5=4 3 5 ( k P a ) q 2 = ( U L S )g +T L( U L S )钆 =1 4 X 2 9+ 1 04 8 09 83 4 1 0 0 0=2 0 0 5 ( k P a ) 可见 ，q l g 2 ，故选取组合荷载 q g 2 。一般 情况下 当内罐发生大泄漏时 由于低温液体与罐 壁内侧直接接触 会使罐壁产生很大的温度效应 即罐壁内侧受拉开裂 ，为 了减小这种影响一般在 受 力较 大 的部位 增加 预应 力 ，即取 q=Ii q ，k为放 大 系数 可参 考后 面 的公 式计 算结 果取值 。 一q D 1 0 00 一 小 ( k P2t 1 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 t a ) w 一 w 一 ( 1 0 ) 2 3 2 U L S ( 大泄漏情况)计算 在 大泄漏 情况 下 当蒸汽 压力 为 0时 且 不考 虑罐壁温度效应对预应力产生的影响时 罐壁横截 面受 的压应力 为 ： g = L e a k )q 一 ( k P a ) ( 1 1 ) 根据受压区高度的要求 ，应满足 ： 旦 生 h ( 1 2 ) k 式中 _截面受压区高度， m，应不小于 0 1 m； 混凝土轴心抗压强度标准值 MP a 。 将 ( 1 1 )式代人到 ( 1 2 )式 ，得 ： ， 2 3 3 S L S状 态计算 在正常操作工况下 当蒸气 内压为 0时 罐壁 仅受预应力作用当不考虑罐壁配筋受压力的有利 影 响 时 ( 偏 安 全 考虑 ) ，预 应力 压 力全 部 由混凝 土 承担 ，此时应 有 ： ( S L S )q 0 4 A n ( 1 4 ) 将( 1 0 )式代 人到( 1 4 )式 ，可得： ( m) ( 1 5 ) 2 4 计 算 实例 以 1 6万 m3 L N G储罐为例 R= 8 2 1 1 1 D=8 2 n l ； C 5 0混 凝 土 ：-厂 哪=5 O MP a ， = 3 2 4 M P a ， = 2 6 4 MP a ， P 。 = 2 5 0 0 k g m 3 ；H R B钢筋 ： f y =3 6 0M P a ； 鲁： ： 5 8 ；O L 3 4 = 4 8 0 k g m 3 ， h =0 2m。 ( 1 )把上 述参 数代 人 到( 5 )式 ，可得 第 3 8卷第 3期 李金光等 ：全容式 L N G储罐混凝土外罐的罐壁罐顶厚度取值研究 1 9 0 3 9 2 ( I n ) ，取 t =0 4I l l 。 ( 2 )把上述参数及 t =0 4 i n代人到( 9 )式 ， 可得 t h 0 7 9 7 ( m) ，取 t h =0 8 in。 ( 3 )q L = P L g HL 1 0 0 0=1 5 9 9 ( k P a ) q 2 = ( U L S )q + ( U L S )q L =2 0 0 5 ( k P a ) 把上述参数代人到( 1 3 )式 。可得 k 1 5 1 。 取 k = 1 6 ，代入到 ( 1 5 )式 ，得到 0 7 2 3( in) ， 取 t =0 8 in。 上 述 厚度 取 值结 果 应用 到 江 苏 L NG、大连 L N G 的工 程 设 计 中 经 有 限 元 分 析 及 配 筋 计 算 证明其取值是合适 的。 3 结 束语 结合 L N G行业相关设计规范 的要求 依据混 凝 土外 罐 在 控 制 荷 载 作 用下 的受 力 特 性 推 导 了 罐顶 、罐顶腋部及罐壁的厚度取值计算公式 。工 程实践证 明，该方法可为混凝土外罐 的方案设计 、 优化 设计及 提高设计效率 提供 良好 的技术手段 避免这些厚度取值的盲 目性。当然 ，最终 的厚度 取值应满足所有荷载组合下的截面配筋强度验算 、 正常使用裂缝验算 、致密性验算及应力 限值验算 等 的要求 参 考 文献 ： 1 黄淑女 ， 王作 乾 我国第一座 1 6万 m 全容 L NG储 罐【 J 1 石 油工 程建设 ， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 4 ) ： 1 5 1 7 f 2 】 E N 1 4 6 2 0 - 5- 2 0 0 6 ， D e s i g n a n d ma n u f a c t u r e o f s i t e b u i l t ， v e r t i c a l ， c y l i n d r i c a l ， fla t - b o t t o me d s t e e l t a n k s f o r t h e s t o r a g e o f r e f rig e r a t e d ， l i q ue f i e d g a s e s wi t h o p e r a t i n g t e mp e r a t u r e s b e t w e e n 0 a n d一1 6 5 一 P a rt 5 ： T e s t i n g ， d r y i n g ， p u r g i n g a n d c o o l d o w n【 S 【 3 】 B S 7 7 7 7 - 3 1 9 9 3 ， F l a t - b o t t o me d ， v e rt i c al， c y l i n d ri c a l s t o r a g e t a n k s f o r l o w t e mp e r a t u r e s e r v i c e P a rt 3 Re c o mme n d a t i o n s for t h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f p r e s t r e s s e d a n d r e i n f o r c e d c o n e r e t e t a n k s a n d t a n k f o u n d a t i o n s ， a n d f o r t h e d e s i g n a n d i n s t a l l a t i o n o f t a n k i n s u l a t i o n ， t a n k l i n e r s and t a n k c o a t i n g s s 1 4 E N 1 4 6 2 0 3 - 2 0 0 6 ， D e s i g n and ma n u f a c t u r e o f s i t e b u i l t ， v e rt i c al， c y l i n d ric a l ， fia t - b o t t o me d s t e e l t a n k s for t h e s t o r a g e o f r e f rig e r a t e d ， l i q u e f i e d g a s e s wi t h o p e r a t i n g t e mp e r a t u r e s b e t we e n 0 and一1 6 5 o C P a r t 3 ： C o n c r e t e C o m p o n e n t s S 】 5 C o mi t e E u r o i n t e r n a t i o n a l D u B e t o n C E B F I P m o d e l c o d e 1 9 9 0 ： D e s i g n C o d e M L o n d o n： T h o ma s T e l for d， 1 9 9 3 6 E N 1 9 9 2 - 1 1 2 0 0 4 ， E u r o c o d e 2 ： D e s i g n o f c o n c r e t e s t ruc t u r e s P a r t 1 1 ： G e n e r a l rul e s a n d r u l e s f o r b u i l d i n g s S 作者 简介 ：李金光( 1 9 7 5 一 ) ，男 ，湖北 大 台 人 ，高级 工程 师 ，2 0 0 1 年毕 业于武汉大学工程 力学专业，硕 士 ，现主要 从事石油化 工行业的设计工作。 收稿 13 期 ：2 0 1 1 - l 1 一 o 4 一+ - +一 - + 一 - - + 一- +- +- +- + 一 - +- +一 +一 - +- 十一 + 殛) 中 美能 源顶级盛 会将于7 月 在旧 金山 开 幕 中国石化新闻网 2 0 1 2年 6月 5日讯 记者从北京香格里拉饭店举办的中美能源高峰会议新 闻发布会 上获悉 ，第二届中美能源高峰会议将于 2 0 1 2年 7月 2 7日在美 国旧金山市开幕 新闻发布会特别邀请 了美 国与中国石油石化行业内的领导及企业代表做主题发言 会上 美 国路凯国 际能源集 团总裁杨冰清指出，当前 ，中国企业及中国人对美国本土石油资源开发的准人与发展问题还存在 一 些认识上的误区，正是这个误区的存在牵绊住了中国企业及中国人到美国投资油气资源的脚步。 杨冰清认为 ，根据美 国油 田开发经验 ，那些中小石油公司中，一部分确实资金雄厚、技术先进、经验 丰富，具有很强的竞争力 ，但也有数量不少的一部分中小石油公司虽然拥有不错的资源但因为资金不足 而难 以经营下去 ，他们希望寻找合作伙伴共同开发拥有勘探和开采权益的油 田区块。在这种背景下 中国 企业有直接投资经营美国本土石油业的机遇 据悉 ，第二届中美能源高峰会议 由加州对外友谊委员会 、中国企业改革与发展研究会主办 美国路凯 能源基金和中能传媒集团联手承办 ，美 国旧金 山市政府协办 。本届会议将 以 “ 中美能源合作的挑战与机 遇”为主题 ，围绕备受关注的美国油气 田勘探开发战略及政策解析、油页岩及页岩气开采技术交流、石油 设备供需分析 、油气领域投融资项 目介绍等主题展开 本 刊 摘 录