大型LNG儲(chǔ)罐減隔震技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

徐海軍

摘 要：液化天然氣（LNG）儲(chǔ)罐是一種大容積圓柱形儲(chǔ)罐，在地震活動(dòng)下具有一定程度的弱點(diǎn)。LNG設(shè)施地震災(zāi)害能對周圍居民造成災(zāi)難性后果，所以，在設(shè)計(jì)LNG設(shè)施的時(shí)候必須把地震危險(xiǎn)限制到一種可接受的極低破壞可能。

關(guān)鍵詞：LNG;大型儲(chǔ)罐;減隔震

一、大型LNG儲(chǔ)罐減隔震技術(shù)研究現(xiàn)狀

當(dāng)前各個(gè)地區(qū)對液化天然氣應(yīng)用量在持續(xù)增加，在未來發(fā)展中，LNG儲(chǔ)罐必然會(huì)大型化進(jìn)步。通常情況下，在建設(shè)應(yīng)用特大型LNG儲(chǔ)罐過程中需要較大的資金，占用較大的空間，并且有著較大的質(zhì)量，對安全性要求也更高。僅僅一個(gè)單體LNG就需要耗費(fèi)數(shù)十億元人民幣進(jìn)行建設(shè)，其比一般的石化儲(chǔ)罐有著更強(qiáng)的戰(zhàn)略意義，如果發(fā)生地震災(zāi)害造成儲(chǔ)罐泄露，非常容易出現(xiàn)安全問題，可能會(huì)由于泄露天然氣發(fā)生火災(zāi)、爆炸等安全事故，還會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生較大程度污染。一個(gè)16×l04m³容量的液化天然氣儲(chǔ)罐一旦爆炸會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)于廣島原子彈能量的70倍左右的能量，二減震隔震技術(shù)是當(dāng)前特大型LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

當(dāng)前工業(yè)與民用領(lǐng)域越來越廣泛地應(yīng)用液化天然氣，可見LNG儲(chǔ)存安全性也成為了當(dāng)前重點(diǎn)研究的問題之一。LNG有著較強(qiáng)揮發(fā)性，容易爆炸、易燃，所以在建設(shè)儲(chǔ)罐過程中對其安全等級有著嚴(yán)格要求。同時(shí)，地震這種自然災(zāi)害有著強(qiáng)大的破壞性以及極大的偶然性，一旦地震很可能導(dǎo)致罐體發(fā)生破裂泄露大量超低溫液化天然氣，為此，加強(qiáng)儲(chǔ)罐在地震作用下受力情況研究以及抗震能力提升是需要重點(diǎn)關(guān)注及研究的內(nèi)容。

復(fù)雜流體結(jié)構(gòu)耦合問題是研究LNG儲(chǔ)罐抗震性能的核心。很多學(xué)者已經(jīng)開始研究儲(chǔ)罐與液體間相互作用力學(xué)原理，早在1957年，Housner進(jìn)行了剛性儲(chǔ)罐地震分析，將儲(chǔ)層分子假設(shè)為理想液體，那么罐壁主要受到三部分壓力，分別為流體靜壓、對流壓力以及脈壓。W.A.Nash和Haroun等在1974年到1986年間就罐的動(dòng)力特性進(jìn)行了有限元分析，他們認(rèn)為，可以將儲(chǔ)液等效為附著于罐壁的附加質(zhì)量。Veletsos在1974年用假定震動(dòng)模式將地震激勵(lì)下彈性儲(chǔ)罐壁的沖擊壓力進(jìn)行了簡化計(jì)算。Veletsos和Yang在1976年利用殼單元理論將Veletsos模型的罐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。目前，1983年Haroun基于Housner模型建立的Haroun-Housner力學(xué)理論模型是當(dāng)前大多數(shù)學(xué)者認(rèn)同并且在實(shí)際中應(yīng)用較多的理論，這種方法能夠簡化流固耦合問題，從而將計(jì)算額外固體震動(dòng)質(zhì)量工作量極大地減少。HamishDouglas等在外罐結(jié)構(gòu)計(jì)算中用集中質(zhì)量法進(jìn)行五質(zhì)點(diǎn)模型優(yōu)化，建立了LNG儲(chǔ)罐等效模型，該模型具有隔振結(jié)構(gòu)。

當(dāng)前研究層間隔振結(jié)構(gòu)的成果仍然存在一定不足，很多研究理論結(jié)果都沒有工程實(shí)踐作為基礎(chǔ)。周福霖院士以實(shí)際工程與科研項(xiàng)目為基礎(chǔ)研究了隔震體系，認(rèn)為將隔震層設(shè)置在低的位置也就越能夠發(fā)揮良好的隔震效果。祁皚等以層間隔震結(jié)構(gòu)的等效模型為基礎(chǔ)對層間隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征影響因素進(jìn)行了討論分析。認(rèn)為層間隔震結(jié)構(gòu)減震效果很大程度上受到隔震層阻尼比的影響，并且減震效率和結(jié)構(gòu)阻力比成正比。李向真等采用瞬態(tài)分析方法分析了已有的層間隔震結(jié)構(gòu)，得到結(jié)果顯示，上部結(jié)構(gòu)減震效果受到層間隔震結(jié)構(gòu)影響。

二、未來發(fā)展趨勢

（一）LNG罐體抗震性能研究

在地震作用下，儲(chǔ)罐性能十分復(fù)雜。通常情況下，研究者的研究重點(diǎn)主要放在了三個(gè)方面，其一是液體和罐壁之間的作用，其二是罐體復(fù)雜高度非線性提離，其三是晃動(dòng)波高。在研究LNG儲(chǔ)罐自身抗震性能上通過數(shù)值模擬與振動(dòng)臺實(shí)驗(yàn)來研究結(jié)構(gòu)非線性地震響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)LGN罐體抗震性能分析，對罐體受力機(jī)理和損傷演化規(guī)律進(jìn)行了深入研究，就罐體結(jié)構(gòu)受到外罐-內(nèi)罐-液體耦合作用所產(chǎn)生的規(guī)律性變化進(jìn)行了研究，分析了地震烈度結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)在空罐、半罐、滿罐等工況下的差異，就LNG罐體抗震性能進(jìn)行了全面揭示。

（二）消能減震與隔震技術(shù)研究

在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，減震隔震技術(shù)已經(jīng)有著較為廣泛的研究，減震隔震技術(shù)類型可以根據(jù)原理、設(shè)計(jì)方法、耗能不見等進(jìn)行劃分。LNG罐體隔震減震技術(shù)的選擇需要根據(jù)動(dòng)力荷載作用下受力特征和抗震性能進(jìn)行合理地選擇，同時(shí)消能減震裝置也要確定。在LNG罐體薄弱部位可以合理地應(yīng)用現(xiàn)有能夠滿足隔震減震要求的隔震支座或者阻尼器，從而實(shí)現(xiàn)抗震性能增強(qiáng)、液體晃動(dòng)波高減小的效果。如果建設(shè)過程中無法滿足性能指標(biāo)要求，可以將LNG罐體抗震隔震裝置進(jìn)行改進(jìn)或者研發(fā)，然后利用試驗(yàn)達(dá)到減震裝置合格的目的，最終將其應(yīng)用于隔震減震中。

（三）適用于LNG罐體防震減災(zāi)技術(shù)的應(yīng)用

加強(qiáng)傳統(tǒng)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)從而將地震所產(chǎn)生作用力抵消，達(dá)到提高儲(chǔ)罐抗震性能的效果。在設(shè)計(jì)中進(jìn)行減震操作可以利用阻尼比和附加彈性合理設(shè)置將向上部傳播的加速度減少，進(jìn)而減輕地震產(chǎn)生的損害。在大部分地震運(yùn)動(dòng)共振范圍中大型LNG儲(chǔ)罐頻率范圍大概都介于2～10Hz。在設(shè)計(jì)建造LNG儲(chǔ)罐過程中，受到液化天然氣危險(xiǎn)性特點(diǎn)的影響要對儲(chǔ)罐塑性變形進(jìn)行嚴(yán)格地控制，避免超過變形標(biāo)準(zhǔn)要求，為此，需要謹(jǐn)慎地完成塑性設(shè)計(jì)。我國當(dāng)前在設(shè)計(jì)建設(shè)特大型LNG儲(chǔ)罐項(xiàng)目中通常會(huì)選擇較為偏僻的區(qū)域，往往有著十分復(fù)雜的場地條件，很多地區(qū)是填海造地、軟土地區(qū)，為了保證儲(chǔ)罐基礎(chǔ)穩(wěn)定性需要采用合理的方法進(jìn)行基礎(chǔ)處理，從而保證基礎(chǔ)穩(wěn)定性，能夠足夠抵抗地震力。在LNG儲(chǔ)罐建設(shè)中，其需要受到各種復(fù)雜的力的影響，為了保證LNG儲(chǔ)罐抗震安全性，需要采取有效的隔震抗震措施，在儲(chǔ)罐建設(shè)中，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況進(jìn)行隔震方案的設(shè)計(jì)，將土地利用面積提高，做好鋼結(jié)構(gòu)材料的焊接質(zhì)量控制，并且盡量建設(shè)焊接接頭，同時(shí)加強(qiáng)對建設(shè)費(fèi)用的管控，盡量提升工程經(jīng)濟(jì)效益。

三、結(jié)語

LNG儲(chǔ)罐遭受地震力的破壞會(huì)發(fā)生泄漏等問題，嚴(yán)重危害到周圍環(huán)境以及居民的安全。如果地震固有周期和卓越周期有著較大的差距那么地震不會(huì)過多影響到儲(chǔ)罐的穩(wěn)定性，基本不會(huì)晃動(dòng)到儲(chǔ)罐內(nèi)部液體的液面，能夠保證罐體和固體相互之間作用，避免發(fā)生嚴(yán)重問題。通常情況下不用考慮這種情況產(chǎn)生的影響，該情況下基本不會(huì)破壞儲(chǔ)罐。不過如果地震動(dòng)卓越周期與儲(chǔ)罐的固有周期十分接近那么會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，共振一旦發(fā)生就會(huì)嚴(yán)重晃動(dòng)罐體內(nèi)的液體，液體的晃動(dòng)對罐壁會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，導(dǎo)致罐壁應(yīng)力急劇增加，出現(xiàn)嚴(yán)重的變形情況，甚至破壞罐體的整體性，發(fā)生泄漏問題，并且造成火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重事故，嚴(yán)重?fù)p害環(huán)境和經(jīng)濟(jì)。在未來發(fā)展中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對隔震抗震技術(shù)的研究，為大型儲(chǔ)罐建設(shè)安全性提供保障。

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