LNG儲罐研究進展及未來發展趨勢*

單彤文

(中海石油氣電集團有限責任公司 北京 100028)

自2006年大鵬LNG接收站投產以來，中國LNG儲罐的最長運營時間已經超過11年。目前國內大型LNG儲罐的數量已經達到40多個，LNG的累計進口量已超過1.5×108t，其中中國海油的進口量已經超過了1.0×108t。2017年中國天然氣消費比重提高到了6.8%左右，按照國家能源局的規劃，2020年這一比重將有可能達到10%。在國家的調控下，前幾年放緩了LNG接收站的建設，但從2016年起又逐漸加快了進度，目前國內在建的LNG儲罐有6座，2018年有望達到15座以上，其中主力罐容為16×104m3，還有2座20×104m3的國內最大儲罐將在上海洋山港破土動工。

與LNG儲罐建設相對應的是儲罐核心技術的發展，中國已完全具備LNG儲罐的自主設計能力[1],目前在常規全容儲罐研究方面的成果較多，但多集中在數值模擬計算方面；超大型儲罐研究成果較少，但相關研究和設計單位已經掌握27×104m3以內的全容儲罐核心技術，隨時可實現工程化。目前新型儲罐有多種型式，如自支撐儲罐、全混凝土儲罐、地下儲罐、海上儲罐等，但在國內這些新型儲罐尚未工程化應用。本文深入調研了LNG儲罐的研究進展，分析了目前LNG儲罐研究中的不足，并對LNG儲罐未來的發展趨勢進行了展望，可為今后LNG儲罐研究提供有益的借鑒。

1 常規LNG儲罐研究進展及未來發展趨勢

常規儲罐以全容儲罐為主，其優點是安全性高、占地少、完整性和技術可靠性高[2-3]。圖1為LNG全容儲罐結構示意圖。

圖1 LNG全容儲罐結構

1.1 研究進展

目前，有關全容儲罐方面的研究多集中在全模型建模分析、地震響應分析、隔震研究、基礎研究、局部構件計算以及其他偶然作用計算等方面。

1.1.1全模型建模分析

由于全容儲罐的復雜性，很難用一般的理論公式進行計算推導，目前全模型建模成為儲罐計算研究的重要方向，常用的軟件有ANSYS、ABAQUS、LUSAS、MIDAS、ADINA等[4-5]。張超 等[6]基于仿真云平臺，建立了LNG儲罐全模型，并進行了多個案例分析，驗證了基于云平臺的LNG儲罐全模型的有效性；翟希梅 等[7-11]通過建立三維有限元模型，分析了施工模板材料、施工質量、施工季節等對混凝土外罐溫度應力分布的影響及其規律。

隨著計算機及有限元技術的發展，全模型建模越來越精細，計算結果越來越準確。但現階段仍需基于一定的基本假設和簡化，無法做到完全的實況模擬和全模型的研究，目前多集中在將儲罐的各部分進行模型細化，對各部分之間的耦合考慮仍不夠充分。

1.1.2地震響應分析

全容儲罐的地震響應分析，是儲罐計算需要考慮的最重要的內容之一，需考慮OBE(運行基準地震)和SSE(安全停運地震)2種地震工況。最初的BS7777標準[12]對于SSE的規定為10 000年一遇，要求極高，隨著儲罐建設技術的成熟以及對事故概率的重新評判，在EN14620標準[13]中已將SSE的規定降為5 000年一遇，近年頒布的ACI376[14]和GB51156[15]兩項標準已將SSE規定降為2 500年一遇。

在地震響應研究方面，趙欣月[16]建立了16×104m3的LNG儲罐混凝土外罐的精細化模型，研究了不同工況下LNG儲罐混凝土外罐的振動特性，并開展了單向、雙向和三向時程地震響應分析；翟希梅 等[11]利用直接耦合法對液體單元和罐體結構進行了流固耦合約束，采用縮減法對儲罐的振動特性進行了分析；周利劍 等[17]對有內罐和無內罐的LNG儲罐進行了地震響應分析。

目前,儲罐的地震響應研究主要分為譜分析和時程分析兩部分，上述相關規范多是對譜分析的規定。實際上時程分析才更能體現儲罐在整個地震過程中的受力和變形隨時間的變化。目前時程分析研究的不足之處在于儲罐并非獨立的體系，還要考慮儲罐的基礎，如樁基礎或淺基礎等，如果將這些因素都考慮到，模型單元的數量則可能需要指數級的增長，且需要重點考慮地基模型邊界的處理，如果存在邊界反射，其計算結果一定是不準確的。

1.1.3隔震研究

由于儲罐在抗震方面的高要求，不少學者對儲罐的隔震系統開展研究，以尋求合理的隔震方案。Tsopelas等[18]、Bohler 等[19]研究了LNG儲罐3種鉛芯橡膠支座的隔震體系數值模型，對比了隔震結構的最大加速度；Christovasilis 等[20-21]采用簡化力學模型分析了隔震與非隔震的LNG儲罐，并建立了三維有限元儲罐模型，分析了其計算精度，并驗證了簡化力學模型的有效性；孫建剛 等[22]基于反應譜設計理論建立了2種LNG儲罐力學模型，推導了LNG儲罐基礎隔震的地震響應參數；屈長龍 等[23]分析了現有大型建筑物的減震隔震措施，并結合LNG儲罐隔震工程設計的需求，提出了用于LNG儲罐反應譜分析的標準復合模型。

儲罐的隔震研究在基本理論上是成熟的，與其他建筑物并無不同，但是儲罐有其自身的特點，即基礎面積非常大。以使用了隔震墊的某項目LNG儲罐為例，由于基礎的收縮性，引起了隔震墊的水平變位，對隔震墊的耐久性有很大的影響，如果隔震墊發生破損，更換是非常大的難題。但是目前尚無關于隔震墊更換的研究。

1.1.4基礎研究

除基礎直接坐落在基巖上的儲罐以外，大多數儲罐基礎采用的是樁基礎，由于要承受地震作用下的巨大水平荷載，儲罐的樁基礎一般具有樁徑大、樁數多的特點。在LNG儲罐樁基礎研究方面，王鷹[24]結合天津某LNG儲罐工程，采用FLAC3D軟件模擬了樁基礎的工作原理，從大型LNG儲罐下樁基礎沉降計算方法、布樁方式、隔震設計等3方面進行了優化分析；賀超[25]根據理論分析確定了群樁基礎中樁的載荷與沉降比值，采用ANSYS有限元模型建立了LNG儲罐的整體模型，并進行了沉降計算；肖立 等[26]在考慮安全停運地震(SSE)荷載的基礎上，計算了儲罐上部結構的水平力和豎向力以及樁基礎的數量，得出了一般情況下樁基礎的數量受水平力控制的結論。

目前儲罐基礎研究所采用的方法主要是理論公式法和數值模擬法，其中理論公式法的難點在于如何對上部結構傳遞的載荷進行合理簡化。從目前的研究成果來看，理論公式法已經形成一套比較完整的體系，對于均勻地層工況的計算精度也是滿足要求的；但對于樁長變化較大的儲罐基礎，無論是理論公式法還是數值模擬法，都是比較難解決的問題，還需要開展更為精細的工作。

1.1.5局部構件計算

對儲罐局部構件(如穹頂頂梁框架、錨固帶等)的模擬計算，也是LNG儲罐分析研究的一個方向。翟希梅 等[27]對LNG儲罐頂梁框架系統進行了非線性載荷-位移施工過程模擬，獲取了屈曲臨界點處的屈曲模態形式，確定了帶鋼板網殼的合理初始幾何缺陷形式，探討了蒙皮鋼板對網殼穩定承載力的影響，分析了相關參數對帶鋼板網殼穩定性的影響；肖立 等[28]基于ABAQUS有限元計算平臺，以某LNG儲罐為例，建立了內罐的錨固系統模型，闡述了錨固系統分析時所需考慮的載荷和載荷組合，并針對不同載荷組合工況進行了詳細計算，得出了錨固系統各部分的受力情況，分析了各計算工況的差異，找出了錨固系統受力最不利位置，認為在錨固系統中不應將錨固帶蓋板作為受力構件考慮。

儲罐全模型的研究主要考慮儲罐整體，對于局部細節很難全面考慮，因此局部構件的研究和相關計算必不可少，難點在于如何設定局部構件的邊界條件，如位移邊界條件、溫度邊界條件等。目前，有關局部構件計算研究中，對于壁板疲勞分析、抗壓圈預埋件、錨具局部受力分析等方面研究成果還較少。

1.1.6其他偶然作用研究

張超 等[29]基于導熱、對流及輻射理論建立了LNG儲罐傳熱物理模型，對正常運行及泄漏工況進行了分析；葛慶子 等[30]采用LS-DYNA有限元軟件對飛機撞擊特大型LNG儲罐的全過程進行了仿真分析，考慮了外罐、保冷層及內罐的接觸問題，建立了F-15戰斗機模型，并以不同角度和不同速度撞擊LNG儲罐，結論認為一般全容儲罐所能承受的最大撞擊速度為160 m/s；周國發 等[31]基于ADINA建立了16×104m3的儲罐和沖擊導彈的有限元模型，研究了導彈的質量、初始速度、儲罐外壁的配筋率及混凝土的強度等不同因素作用下儲罐外罐的力學行為。

目前關于偶然作用的研究可概括為內部偶然作用(如泄漏等)和外部偶然作用(如爆炸沖擊等)，其中內部偶然作用的分析已經達到定量的程度；但外部偶然作用的分析雖然有一定的數據支持，但從成熟度、模擬的精確程度方面來看仍未突破定性階段。

1.2 目前存在不足及未來發展趨勢

目前常規LNG儲罐研究存在不足主要集中在以下2個方面：

1) 研究手段單一。目前的研究手段多集中在有限元軟件計算方面。從科學的角度考慮，要驗證研究成果的正確性，必須有2種或2種以上的研究方法得出的結果作為對比，否則僅憑1種手段得出的結果往往缺乏可信度。

2) 基本參數不明確。如前所述，LNG儲罐對于地震作用要求很高，地震響應分析必須考慮OBE和SSE工況。從目前的研究成果來看，不少地震響應計算并未對此進行明確，由此可能導致的結果是對結構的安全性評價結論值得商榷。

未來常規LNG儲罐研究發展趨勢主要集中在以下3個方面：

1) 精細化。在構件的模擬上，為追求精度，往往需要建立數以萬計的單元。未來計算機的發展使得研究人員不必過于在意控制所建LNG模型的單元數量，模型研究將逐步向精細化方向發展，模型單元數量增長趨勢一定是隨著計算機的發展呈指數型的增長。

2) 集成化。集成化首先得益于各有限元計算軟件的不斷創新發展，使得LNG儲罐模擬計算中的流固耦合、熱固耦合、多場耦合、動力分析、樁土相互作用等問題得以解決；其次也得益于計算機能力的增強，使得耦合計算能夠順利開展。集成化將使得LNG儲罐全模型模擬的結果更加準確。

3) 多樣化。隨著研究的不斷深入，為了驗證某一種方法的準確性，必然要引入其他研究方法。除了數值計算和理論計算外，試驗研究、實際監測將會逐步被應用于LNG儲罐的相關研究中，目前已有某些研究機構開始著手開展相關工作。

2 超大型LNG儲罐研究進展及未來發展趨勢

有關大型儲罐和超大型儲罐的罐容，目前沒有一個明確的規定。從儲罐的建造情況來看，傾向于將20×104m3及以上的儲罐視作超大型儲罐。由于目前可利用的岸線減少，優良站址稀缺，土地審批手續復雜，新建LNG接收站的占地面積被進一步壓縮，這就要求陸上LNG接收站折合成單位面積的存儲量必須增加，從而使得LNG儲罐向大型化發展[1]。目前江蘇有1座20×104m3的LNG儲罐已經投產，上海有2座20×104m3的儲罐將在近期開工建設。但在超大型儲罐的研究方面，尚沒有太多的進展。余曉峰 等[32]基于有限元軟件，建立了27×104m3的LNG全容儲罐模型，對地震作用下超大型儲罐的流固耦合模態進行了研究；黃海杰[33]通過精細化建模，對20×104m3的LNG儲罐進行了低溫效應分析，總結了溫度對外罐結構的影響規律。

從本質上，如果采用全容儲罐的罐型，超大型儲罐和一般儲罐沒有大的區別,相關研究的發展趨勢與全容儲罐基本一致，即向精細化和集成化建模計算發展。目前世界上最大的全容儲罐是KOGAS在Samcheok液化天然氣接收站建造的3座27×104m3的地上全容儲罐。伴隨著罐容的增大，全容儲罐在外形尺寸、外罐截面尺寸、內罐壁厚、錨固形式、不均勻沉降、預應力損失等方面將面臨諸多挑戰，因此全容罐的罐容不可能無限制地增大。國內中國石油、中國石化、中國海油等三大石油公司均已開展27×104m3儲罐的研究工作。如有合適的機會，27×104m3以下的全容儲罐在國內可以隨時落地。

薄膜罐和地下罐也是常用的儲罐結構，由于結構體系的優勢，理論上來講最大罐容可以超過全容罐，但目前對于薄膜罐和地下罐的研究還比較少，也僅是在可行性及技術經濟性上與全容罐進行的對比介紹[34-35]，現階段在國內尚無應用實例。從短期來看，薄膜罐和地下罐只能算作是一個研究方向，很難成為發展的趨勢，即使國內研發機構在掌握了全容儲罐的核心技術并滿足企業自身需要之后，也很難在薄膜罐和地下罐研究方面持續地投入時間和精力；但從長期來看，在世界范圍內薄膜罐和地下罐還是有很廣闊的應用前景。

3 新型LNG儲罐研究進展及未來發展趨勢

新型LNG儲罐主要分為3種：自支撐式LNG儲罐[36]、全混凝土LNG儲罐和海上LNG儲罐。國內已有少量機構正在開展新型LNG儲罐的研究，新型LNG儲罐的研究在世界范圍內也是一個比較領先的研究方向。

3.1 自支撐式LNG儲罐

如圖2所示，自支撐式LNG儲罐采用的是復合結構內罐，在受力方面遠優于一般的壁板結構，因而不再受9%Ni鋼壁厚規范上限50 mm、厚板焊接難等方面限制。一方面，復合式肋片壁板可以提前預制，可節約40%以上的工期；另一方面，壁板薄，高空焊接量少，施工周期縮短。壁板厚度為等厚板，肋片及加強環結構均為小尺寸板材，材料成品要求不高，且復合內罐提高了材料力學利用率，內罐節約成本預計10%以上。可見，自支撐式儲罐對于LNG儲罐而言是非常好的內罐改進思路。

圖2 自支撐式LNG儲罐結構

3.2 全混凝土LNG儲罐

全混凝土LNG儲罐是將全容儲罐內罐材料由9%Ni鋼改為混凝土，內外罐均為混凝土結構。國外如ACI376已將全混凝土儲罐設計納入規范，也有建成的工程實例[37-39]。但目前國內對此類儲罐的研究還較少。全混凝土儲罐的造價低，以16×104m3全容儲罐為例，可節約20%的成本[40]，且全混凝土儲罐內外罐可以同時建造，可大大縮短LNG儲罐的建設工期。

全混凝土LNG儲罐值得今后在國內大力推廣，但在相關研究方面還要從基礎做起，包括混凝土低溫力學性能試驗、全混凝土儲罐在地震作用下的動力響應、混凝土內罐開裂研究等。

3.3 海上LNG儲罐

海上LNG儲罐在可使用面積、穩定性、存儲能力、建設周期等方面具有很大的優越性，不少國家已經把建設海上LNG終端定為大力發展的目標。從目前的研究成果來看，工程化的時機已經成熟，適合大力推廣。目前我國LNG接收站選址變得越來越困難，浮式儲存再氣化裝置(FSRU)的應用也存在諸多挑戰，因此開發一種經濟、靈活、實施快速、便于快速推廣的海上(水上)中小型LNG接收終端技術是適應市場、應對競爭的迫切需要。

在海上LNG儲罐研究方面，Haug等[41]對混凝土結構LNG海上接收終端的發展情況進行了闡述，對不同形狀的附屬結構以及存儲結構的受力模式及特點進行了分析，總結了設計和建設過程中需要考慮的主要因素；Sullivan等[42]對重力式基礎結構(GBS)(圖3)接收終端和海上接收模塊與陸上接收終端進行了對比，從結構的受力、基礎型式、施工周期、造價和技術風險等方面進行了分析；國內相關研究機構對海上LNG儲罐運輸系統、通風系統、抗冰系統等方面也逐步開展了部分研究[43-45]。

圖3 GBS示意圖

總之，對于自支撐式LNG儲罐、全混凝土LNG儲罐及海上LNG儲罐，由于它們的結構形式及施工方式與常規LNG儲罐均不相同，需要開展更深入的基礎研究，在未來研究中應重點論證結構的受力合理性和施工的可行性。

4 結論

1) 常規LNG儲罐在全模型建模分析、地震響應分析、隔震研究、局部構件計算、其他偶然作用研究等方面已開展了大量的研究工作，模型趨于精細化和集成化，充分考慮了模型的整體性和局部細節，各個子結構之間的耦合作用也越來越多地應用到模型之中。未來尚需進一步研究的關鍵問題有：保冷材料建模計算、預應力鋼筋建模計算、樁土耦合計算、地震時程分析時邊界條件處理、隔震墊的耐久性及更換方法等。另外，還需要在試驗研究、理論計算、實際監測分析等方面開展相應的工作，以輔助驗證數值模擬計算結果的準確性。

2) 目前有關超大型LNG儲罐研究的公開發表成果還不多，但相關的能源企業也已掌握超大型儲罐的核心技術，如有合適的時機可隨時落地。超大型的薄膜罐和地下罐適用性更廣，但受制于薄膜技術和目前國內市場的需求，現階段研究和落地的成果較少，因此從長遠來看薄膜罐和地下罐的應用前景廣闊，應當開展更加深入的研究。

3) 新型LNG儲罐方面，自支撐儲罐是對內罐設計改進的很好補充思路；全混凝土儲罐在國內的研究和發展尚未引起足夠的重視，應開展階段性的基礎研究，使全混凝土儲罐的優勢逐漸體現出來，以求早日應用；海上LNG儲罐在國內外均有一定的研究成果，更適用于中小型的LNG接收終端，目前已經具備工程化的條件，但在可移動性和模塊化生產方面，還需要進一步細化研究。

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