LNG儲罐保溫層減震效應(yīng)研究

羅東雨 孫建剛 柳春光 崔利富 王振

摘要：作為存儲超低溫介質(zhì)的特種設(shè)備，LNG儲罐在內(nèi)、外罐之間填充了膨脹珍珠巖作為保溫層。在現(xiàn)有的LNG儲罐地震響應(yīng)研究中，保溫層常被忽略。基于振動臺試驗和數(shù)值仿真兩種方法對LNG儲罐的地震響應(yīng)和保溫層的減震效應(yīng)進行了分析。在不同加速度峰值的El Centro地震動作用下，試驗結(jié)果表明：保溫層對內(nèi)罐的地震響應(yīng)及外罐的加速度和環(huán)向應(yīng)變具有減震效果，但對外罐位移和軸向應(yīng)變卻有放大效應(yīng);儲液的晃動隨地震動加速度峰值的增大呈線性增大，且保溫層對儲罐地震響應(yīng)的影響與地震動強度關(guān)聯(lián)不大。數(shù)值仿真結(jié)果表明：填充保溫層后，除外罐壁位移和有效動應(yīng)力有所增大以外，其余的地震響應(yīng)均具有不同程度的降低，數(shù)值仿真與振動臺試驗所反映的地震響應(yīng)趨勢相同，驗證了數(shù)值仿真模型的合理性，在后續(xù)大型LNG儲罐的地震響應(yīng)分析中可以被應(yīng)用。綜上所述：在進行LNG儲罐的抗震設(shè)計時，為了保證內(nèi)罐的安全性，可以考慮增大保溫層的阻尼來提高內(nèi)罐的抗震強度，但同時應(yīng)注意外罐位移的增大而引起混凝土開裂。

關(guān)鍵詞：LNG儲罐;保溫層;地震烈度;振動臺試驗;數(shù)值仿真;減震

中圖分類號：TU352.1文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1004-4523（2020）05-0885-16

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.05.004

引言

在發(fā)展綠色能源的大環(huán)境下，液化天然氣行業(yè)的發(fā)展進人到了黃金期。中國在全國各地大范圍建設(shè)LNG接收站，而全容式LNG儲罐的應(yīng)用最廣，但大型全容式LNG儲罐的結(jié)構(gòu)形式與一般儲罐相比顯著不同，其結(jié)構(gòu)為雙層結(jié)構(gòu)體系，包括鋼制內(nèi)罐和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土外罐，在內(nèi)、外罐之問的環(huán)形空問內(nèi)填充膨脹珍珠巖和彈性氈進行保溫。作為存儲超低溫及易燃易爆介質(zhì)的特種結(jié)構(gòu)，LNG儲罐的安全等級等同于核電設(shè)施，因此，進行LNG儲罐的地震響應(yīng)研究十分必要。目前，在LNG儲罐的抗震與隔震分析方面，數(shù)值仿真和理論推導(dǎo)成果較多，但由于LNG儲罐特殊的結(jié)構(gòu)形式難以進行試驗設(shè)計，因此現(xiàn)階段的振動臺試驗僅局限于立式石油儲罐。此外，在LNG儲罐的爆炸分析中，內(nèi)、外罐壁之問的環(huán)形保溫層可起到傳遞荷載的作用而使罐壁強度有所提高，而這一影響在地震作用中也會有所體現(xiàn)。目前，雖有學(xué)者通過研究證明保溫層對儲罐具有一定的減震效果，但該結(jié)論還缺少試驗支撐。筆者設(shè)計LNG儲罐縮尺模型進行了振動臺試驗，分析了液位對保溫層阻尼效應(yīng)的影響。本文以滿液位儲罐為分析對象，更為深人地研究了不同烈度地震動作用下保溫層對內(nèi)、外罐的作用效應(yīng)，并采用ADINA對大型全容式LNG儲罐的地震響應(yīng)進行補充計算，分析了LNG儲罐在地震荷載下的動力響應(yīng)，研究了保溫層對LNG儲罐的減震效應(yīng)。

1LNG儲罐振動臺試驗

1.1試驗設(shè)計

以全容式16×10⁴m³LNG儲罐為原型，其內(nèi)罐直徑80m，壁厚上薄下厚，上部0.012m，下部0.0249m。外罐直徑82m，壁厚為等厚0.8m，高38.55m。穹頂邊緣厚中問薄，最厚部位0.8m，最薄部位0.4m，罐底板厚0.9m，滿液位儲液高度為34m，內(nèi)、外罐問距為1m。本試驗使用的振動臺尺寸為3m×3m，受到臺面尺寸的限制，試驗只能設(shè)計欠質(zhì)量模型。為最大限度利用振動臺臺面，設(shè)計模型直徑與臺面邊長相同，故其幾何相似比為S1=Lp/Lm=27（下角標(biāo)p代表原型儲罐，下角標(biāo)m代表模型儲罐，下同）。按照該相似比模型的外罐高1.43m，內(nèi)罐高1.31m。本試驗在滿液位下進行，儲液高1.24m。由于縮尺比過大，試驗很難實現(xiàn)定量分析，因此本試驗重點分析保溫層對LNG儲罐的影響趨勢。試驗根據(jù)實際條件選擇合適的材料，即模型儲罐采用Q235鋼，儲液采用水代替。為采集罐壁加速度和位移，試驗將內(nèi)、外罐傳感器沿罐壁高度布置，外罐加速度和位移傳感器各5個，內(nèi)罐加速度和位移傳感器分別為5個和3個。由于內(nèi)罐傳感器不能在水中工作，故將傳感器安置在內(nèi)、外罐壁之問。按照前述給出的長度相似比計算出的內(nèi)、外罐問距為37mm，而位移傳感器和磁性表座在該問距下不能被安置，故需將內(nèi)、外罐的問距人為擴大，此處借鑒其他學(xué)者調(diào)整試驗相似比的思想，最終根據(jù)位移傳感器尺寸設(shè)定內(nèi)、外罐問距為0.16m。問距的擴大會在一定程度上對試驗產(chǎn)生負面影響，因此需要在其他方面進行一定的調(diào)整以作適當(dāng)?shù)难a救。對于儲液結(jié)構(gòu)，縮尺設(shè)計中應(yīng)考慮流固耦合相互作用，為了彌補由于擴大內(nèi)、外罐問距而被放大的保溫層影響效應(yīng)，調(diào)整罐壁厚度是較為可行的，因此將按照文獻[20]給出的方法計算出的罐壁厚度適當(dāng)放大，最終設(shè)定內(nèi)罐壁的厚度為0.001m，外罐壁的厚度為0.03m。時問相似比為st=tp/tm，對于儲罐來說，液體的脈沖和對流周期相似比差別很大，且由于試驗?zāi)Ｐ偷膸缀蜗嗨票冗^大而導(dǎo)致了模型罐與原型罐的晃動周期也相差甚大，若按時問相似比對地震動進行壓縮則無法滿足振動臺的輸入條件，故本試驗不按照時問相似比對地震動進行壓縮，最終試驗采用的壓縮地震動的卓越頻率為9Hz。試驗?zāi)Ｐ凸薜某叽缂皽y點布置如圖1所示，傳感器的安裝和模型的安放如圖2和圖3所示。

1.2試驗結(jié)果分析

選取El Centro地震動進行振動臺試驗，地震動加速度峰值分別為2，4，6和8m/s²，由地震動的頻譜分析得到其卓越頻率為9Hz，通過對試驗?zāi)Ｐ瓦M行正弦掃頻得到儲罐內(nèi)罐和外罐的頻率均在5Hz之內(nèi)，故可避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振。單向輸入南北方向地震動，圖4和5為地震動加速度峰值為4m/s²時的加速度頻譜和位移時程。

試驗對晃動波高及內(nèi)、外罐壁的加速度、位移和應(yīng)變進行分析，具體結(jié)果如下：

通過對比圖6-8罐壁的加速度放大系數(shù)和減震率可知：加速度沿罐壁高度逐漸增大，內(nèi)罐的加速度響應(yīng)明顯大于外罐，本試驗工況下內(nèi)罐壁加速度放大系數(shù)是外罐壁的2-3倍。填充保溫層后，罐壁加速度的放大趨勢變緩，內(nèi)、外罐壁的加速度放大系數(shù)明顯減小，內(nèi)罐加速度沿罐壁高度的減震率在20%-55%之問，外罐的減震率在10%-27%之問，故保溫層對內(nèi)罐加速度的減震效果更為明顯。此外，在無保溫層時，內(nèi)、外罐加速度放大系數(shù)隨著地震烈度的增大先增大后減小;在填充保溫層后，內(nèi)、外罐壁的加速度放大系數(shù)隨地震烈度的變化沒有特定規(guī)律，且保溫層對罐壁加速度的減震效應(yīng)也與地震烈度關(guān)聯(lián)不大。由此可見，在El centro波作用下，保溫層對內(nèi)外罐的加速度具有減震作用，在不同烈度地震動下減震效果均較為明顯。

通過對比圖9-11罐壁位移的變化趨勢和減震率可知：首先，在不填充保溫層時，內(nèi)、外罐壁的相對位移最大值出現(xiàn)在罐壁中部，即液固耦聯(lián)質(zhì)點處，而在填充保溫層后，罐壁中部和頂部的相對位移值較為接近，且隨著地震烈度的增大頂部的位移越發(fā)變大。分析造成該現(xiàn)象的原因：液固耦聯(lián)質(zhì)點的運動形式為儲液與罐壁同時運動，儲液對內(nèi)罐壁具有較大的彈性沖擊，從而導(dǎo)致該處的加速度值較大，而保溫層會對該處的液固耦聯(lián)作用具有一定的緩沖和減震，從而使位移大幅減小。在填充保溫層后，內(nèi)、外罐壁的相對位移明顯減小，減震率可達到40%-80%，而外罐壁的位移在個別工況下會被放大。由此可見，保溫層對內(nèi)罐壁的位移具有很好的控制作用，而對外罐壁位移控制作用不大，例如在加速度峰值為6m/s²時，外罐頂部位移有所放大。從試驗結(jié)果來看，地震烈度對內(nèi)罐位移的影響較為明顯，而對外罐的影響不明顯。圖9和圖10表明，隨著地震烈度的增大，內(nèi)罐中部和頂部的位移隨之增大，而外罐位移變化不大。由此可見，在遭遇大震時，試驗?zāi)Ｐ偷耐夤尴鄬Π踩?，?nèi)罐容易受到威脅。此外，隨著地震烈度的增大，保溫層對內(nèi)罐位移的減震率影響很小，在大震時減震率會降低，地震烈度對外罐的減震率影響不大。

以加速度峰值為4m/s²的地震動為例分析罐壁的應(yīng)變，由圖12-13可以得出：在不填充保溫層時，環(huán)向應(yīng)變的最大值和最小值分別出現(xiàn)在罐壁的東向和南向，而軸向應(yīng)變的最大值和最小值分別出現(xiàn)在罐壁的南向和東向。在填充保溫層后，內(nèi)罐壁的應(yīng)變表現(xiàn)出了相反的變化趨勢，即無保溫層時在垂直于地震動方向罐壁的環(huán)向應(yīng)變最大，在順應(yīng)地震動方向罐壁的軸向應(yīng)變最大;填充保溫層后在順應(yīng)地震動方向罐壁的環(huán)向應(yīng)變最大，在垂直于地震動方向罐壁的軸向應(yīng)變最大。除此之外，保溫層可對多數(shù)工況下的內(nèi)罐壁應(yīng)變起到減震作用。對于外罐壁應(yīng)變，其軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變在有、無保溫層時均表現(xiàn)為在順應(yīng)地震動方向最大，在垂直于地震動方向最小，且保溫層對應(yīng)變的減震效果十分有限，僅環(huán)向應(yīng)變略微有所降低。其原因為在外罐一保溫層一內(nèi)罐一儲液之問的相互作用中，保溫層對內(nèi)罐壁正壓力具有緩沖作用，對外罐壁卻會造成擠壓。圖14-15結(jié)果表明：內(nèi)、外罐的應(yīng)變隨著地震烈度的增大而增大，且在大震作用下保溫層對內(nèi)罐南向環(huán)向應(yīng)變和外罐南向軸向應(yīng)變的放大效應(yīng)較為明顯。綜上所述，保溫層對內(nèi)、外罐應(yīng)變的減震效果不一，且與方向相關(guān)，地震烈度會在很大程度上影響罐壁的應(yīng)變。

由圖16可以得出：在地震動加速度峰值為4m/s²時，儲液在有、無保溫層時的晃動波形大致相同，在無保溫層時晃動波高的波峰和波谷略大。綜合分析其他試驗工況下的結(jié)果得出：有、無保溫層時的晃動波高相近，隨著地震動加速度峰值的增大，晃動波高大致呈線性增大。

216×10⁴m3LNG儲罐數(shù)值仿真分析

2.1有限元模型的建立

采用有限元分析平臺ADINA建立16×10⁴m³LNG儲罐等比例精細化模型。對于無保溫層LNG儲罐，文獻[9]已證實該模型的合理性，本文在該模型基礎(chǔ)上建立帶有保溫層的LNG儲罐模型。實際工程中LNG儲罐在內(nèi)罐頂部安裝鋁制吊頂，且與內(nèi)罐頂采用彈性毯密封。內(nèi)、外罐壁之問的保溫層由0.3m的彈性氈和0.7m的膨脹珍珠巖粉末構(gòu)成。本文將吊頂簡化為浮放在內(nèi)罐壁頂部，保溫層僅考慮膨脹珍珠巖。在有限元模型中，內(nèi)罐的高厚比較大，可視為薄壁結(jié)構(gòu)，采用四節(jié)點等參殼單元，在仿真中采用的曲面薄殼可以準(zhǔn)確地代表各種復(fù)雜的殼體外形，完全可滿足變形連續(xù)條件。殼單元理論假設(shè)材料微觀粒子的初始方向與中面法線方向一致并在變形時保持不變，且在中面法線方向無應(yīng)力_2引，圖17為殼單元的結(jié)點坐標(biāo)、位移形式和有限元模型。外罐及底板因厚度較大而采用三維實體單元，為達到較高的計算精度選擇應(yīng)用最廣泛的八結(jié)點六面體等參單元，如圖18所示。LNG采用三維流體單元，根據(jù)勢流體理論考慮液固耦合的相互作用，圖19為儲液的流固耦合單元和有限元模型。珍珠巖采用三維實體單元，且與內(nèi)、外罐壁和底板分別做接觸，其有限元模型如圖20所示。LNG儲罐模型各部分的材料參數(shù)和單元如表1所示，整體有限元模型如圖21所示。

2.2計算結(jié)果分析

選取4條地震動進行單向地震作用分析，PGA（地面峰值加速度）設(shè)置為4m/s²，各條地震動的加速度時程、頻譜特性和反應(yīng)譜如圖22-24所示。計算不考慮保溫層與考慮保溫層時LNG儲罐的地震響應(yīng)，通過對比內(nèi)罐壁加速度、位移和儲罐的基底剪力等響應(yīng)分析保溫層的作用效應(yīng)，具體計算結(jié)果如表2所示。此外，以El Centro地震波為例，計算分析地震烈度對大型LNG儲罐的地震響應(yīng)及對保溫層作用效應(yīng)的影響。

分析LNG儲罐的基底剪力、基底彎矩和晃動波高。由圖25-26和表2可知：填充保溫層后，儲罐的基底剪力和基底彎矩具有一定程度的降低，平均減震率在20%左右。圖27顯示：保溫層對晃動波高的影響不明顯，在金門公園和Pasadena地震動作用下填充保溫層后波高略微降低，但在ElCentro和Taft地震動作用下保溫層對波高具有微小的放大效應(yīng)，但有、無保溫層時波高的變化率均在3%以內(nèi)，故可認(rèn)為保溫層對儲液的晃動無影響。

分析LNG儲罐內(nèi)罐壁的地震響應(yīng)。由圖28-30可知：填充保溫層后內(nèi)罐壁的加速度、位移和有效應(yīng)力均明顯降低。根據(jù)表2統(tǒng)計，在4種工況作用下，內(nèi)罐壁平均加速度減震率為20%，平均位移減震率為70%，平均有效動應(yīng)力減震率為50%。在不填充保溫層時，內(nèi)罐壁加速度、位移和有效動應(yīng)力峰值出現(xiàn)在罐壁中部偏上位置（液固耦聯(lián)質(zhì)點處），在填充保溫層后，加速度和位移峰值出現(xiàn)在罐壁頂部，有效應(yīng)力峰值在罐壁底部或頂部。分析其原因：在地震中，液固耦聯(lián)質(zhì)點隨罐壁一起運動，儲液與罐壁之問的相互作用十分明顯，故液固耦聯(lián)質(zhì)點會對內(nèi)罐壁產(chǎn)生較大的沖擊，從而導(dǎo)致該處的加速度、位移和有效動應(yīng)力較大。在填充保溫層后，內(nèi)、外罐壁之問相當(dāng)于增設(shè)了阻尼墻，這對液固耦聯(lián)質(zhì)點的沖擊具有一定的緩沖和減震作用，因此該處的地震響應(yīng)會明顯降低。

分析LNG儲罐外罐壁的地震響應(yīng)。由圖31-33可知：在不填充保溫層時，外罐壁的加速度、位移和有效應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在罐壁頂部，在填充保溫層后，個別地震響應(yīng)峰值的位置出現(xiàn)變化。表2地震響應(yīng)峰值的減震率表明：在填充保溫層后外罐壁的加速度基本沒有變化，而外罐壁位移和有效動應(yīng)力卻明顯增大。由此可見，保溫層對外罐壁的地震響應(yīng)不但沒有控制作用甚至具有放大效應(yīng)。該結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。

分析地震烈度對儲罐地震響應(yīng)的影響，以ElCentro地震波為例，調(diào)整其加速度峰值分別為2，4，6和8m/s²，計算9個抗震設(shè)計參量，表3為具體的地震響應(yīng)和減震率。結(jié)果表明：隨著地震烈度的增大，保溫層對內(nèi)罐壁有效動應(yīng)力的減震率變小，對其位移的減震率增大。對于外罐響應(yīng)，隨著地震動烈度的增大，保溫層對外罐位移的放大效應(yīng)具有一定的抑制。此外，地震烈度對基底剪力和基底彎矩等其他地震響應(yīng)的減震率沒有規(guī)律性影響?？傮w來說，不同地震烈度下保溫層對各類地震響應(yīng)的影響不同，可以認(rèn)為地震烈度對保溫層的減震效果影響很小。

以基底剪力、基底彎矩和晃動波高三種常見的抗震設(shè)計參量為例進行地震烈度影響分析，圖34表明，三種地震響應(yīng)隨地震烈度的增大大致呈線性增大，這與試驗結(jié)果反映出的晃動趨勢一致。仿真結(jié)果表明，在大震作用下，晃動波高峰值超過2m，實際工程中該晃動峰值會導(dǎo)致液體從內(nèi)罐中溢出，因此大型液固耦合結(jié)構(gòu)遭受大震時的晃動應(yīng)被重點分析。此外，在加速度峰值為8m/s²的地震動作用下，內(nèi)罐壁的有效應(yīng)力已經(jīng)超過內(nèi)罐材料的屈服強度490MPa，且外罐的位移會導(dǎo)致混凝土的開裂，由此說明，儲罐在大震下的安全性會受到威脅。

綜合分析振動臺試驗與數(shù)值仿真結(jié)果可以得到：保溫層對儲罐的基底剪力、基底彎矩和內(nèi)罐的地震響應(yīng)具有一定的減震作用，對晃動波高沒有控制效果，并會導(dǎo)致外罐壁層問位移和有效動應(yīng)力的增大。在中小震作用下，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土外罐壁0.005m的層問位移和1.5MPa以內(nèi)的有效動應(yīng)力不會引起罐壁的嚴(yán)重破壞。在大震作用下，外罐位移變大，同時保溫層也會引起其位移變大，其安全性遭到威脅。綜合看來，保溫層對內(nèi)罐地震響應(yīng)的控制具有積極作用，在LNG儲罐的抗震設(shè)計中，可考慮適當(dāng)增大保溫層阻尼來提高內(nèi)罐的抗震性能，但對外罐也要采取相應(yīng)的減震措施，避免由于層問位移和應(yīng)力的增大而導(dǎo)致的外罐壁破壞。

3結(jié)論

本文基于振動臺試驗和數(shù)值仿真兩種方法對LNG儲罐保溫層的減震效應(yīng)進行了分析，主要得出以下結(jié)論：

1.綜合試驗與數(shù)值仿真結(jié)果得出：保溫層對內(nèi)罐的地震響應(yīng)和外罐的加速度、環(huán)向應(yīng)力具有減震作用，但對外罐位移和軸向應(yīng)力具有放大效應(yīng)，且地震動的作用方向?qū)薇趹?yīng)變的影響較大。故保溫層對儲罐的內(nèi)罐減震效果良好，對外罐的地震響應(yīng)的控制效果有限。

2.數(shù)值仿真結(jié)果與試驗結(jié)果所反映的地震響應(yīng)趨勢一致，驗證了數(shù)值仿真方法的可行性和合理性，在進行大型LNG儲罐地震響應(yīng)研究時，可以使用本文的仿真模型進行分析。

3.隨著地震動烈度的增大，儲罐的地震響應(yīng)增大，其內(nèi)罐應(yīng)力會超過材料的屈服強度，外罐位移會引起混凝土開裂。儲液的晃動波高隨地震烈度的增大大致呈線性變化，且保溫層對儲罐多數(shù)地震響應(yīng)的阻尼效應(yīng)與地震動烈度關(guān)聯(lián)不大。

4.鑒于保溫層具有一定的減震效果，可考慮合理增大填充物的阻尼來提高LNG儲罐的抗震性能，但同時應(yīng)注意到外罐地震響應(yīng)的增大。