LNG儲罐保溫層減震效應研究

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的特種設備，LNG儲罐在內、外罐之間填充了膨脹珍珠巖作為保溫層。在現有的LNG儲罐地震響應研究中，保溫層常被忽略。基于振動臺試驗和數值仿真兩種方法對LNG儲罐的地震響應和保溫層的減震效應進行了分析。在不同加速度峰值的El Centro地震動作用下，試驗結果表明：保溫層對內罐的地震響應及外罐的加速度和環向應變具有減震效果，但對外罐位移和軸向應變卻有放大效應;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的影響與地震動強度關聯不大。數值仿真結果表明：填充保溫層后，除外罐壁位移和有效動應力有所增大以外，其余的地震響應均具有不同程度的降低，數值仿真與振動臺試驗所反映的地震響應趨勢相同，驗證了數值仿真模型的合理性，在后續大型LNG儲罐的地震響應分析中可以被應用。綜上所述：在進行LNG儲罐的抗震設計時，為了保證內罐的安全性，可以考慮增大保溫層的阻尼來提高內罐的抗震強度，但同時應注意外罐位移的增大而引起混凝土開裂。

關鍵詞：LNG儲罐;保溫層;地震烈度;振動臺試驗;數值仿真;減震

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

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

引言

在發展綠色能源的大環境下，液化天然氣行業的發展進人到了黃金期。中國在全國各地大范圍建設LNG接收站，而全容式LNG儲罐的應用最廣，但大型全容式LNG儲罐的結構形式與一般儲罐相比顯著不同，其結構為雙層結構體系，包括鋼制內罐和預應力鋼筋混凝土外罐，在內、外罐之問的環形空問內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的特種結構，LNG儲罐的安全等級等同于核電設施，因此，進行LNG儲罐的地震響應研究十分必要。目前，在LNG儲罐的抗震與隔震分析方面，數值仿真和理論推導成果較多，但由于LNG儲罐特殊的結構形式難以進行試驗設計，因此現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、外罐壁之問的環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。目前，雖有學者通過研究證明保溫層對儲罐具有一定的減震效果，但該結論還缺少試驗支撐。筆者設計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、外罐的作用效應，并采用ADINA對大型全容式LNG儲罐的地震響應進行補充計算，分析了LNG儲罐在地震荷載下的動力響應，研究了保溫層對LNG儲罐的減震效應。

1LNG儲罐振動臺試驗

1.1試驗設計

以全容式16×10⁴m³LNG儲罐為原型，其內罐直徑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、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，試驗只能設計欠質量模型。為最大限度利用振動臺臺面，設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p代表原型儲罐，下角標m代表模型儲罐，下同）。按照該相似比模型的外罐高1.43m，內罐高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、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，內罐加速度和位移傳感器分別為5個和3個。由于內罐傳感器不能在水中工作，故將傳感器安置在內、外罐壁之問。按照前述給出的長度相似比計算出的內、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、外罐的問距人為擴大，此處借鑒其他學者調整試驗相似比的思想，最終根據位移傳感器尺寸設定內、外罐問距為0.16m。問距的擴大會在一定程度上對試驗產生負面影響，因此需要在其他方面進行一定的調整以作適當的補救。對于儲液結構，縮尺設計中應考慮流固耦合相互作用，為了彌補由于擴大內、外罐問距而被放大的保溫層影響效應，調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放大，最終設定內罐壁的厚度為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，且由于試驗模型的幾何相似比過大而導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。試驗模型罐的尺寸及測點布置如圖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，通過對試驗模型進行正弦掃頻得到儲罐內罐和外罐的頻率均在5Hz之內，故可避免結構產生共振。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、外罐壁的加速度、位移和應變進行分析，具體結果如下：

通過對比圖6-8罐壁的加速度放大系數和減震率可知：加速度沿罐壁高度逐漸增大，內罐的加速度響應明顯大于外罐，本試驗工況下內罐壁加速度放大系數是外罐壁的2-3倍。填充保溫層后，罐壁加速度的放大趨勢變緩，內、外罐壁的加速度放大系數明顯減小，內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，故保溫層對內罐加速度的減震效果更為明顯。此外，在無保溫層時，內、外罐加速度放大系數隨著地震烈度的增大先增大后減小;在填充保溫層后，內、外罐壁的加速度放大系數隨地震烈度的變化沒有特定規律，且保溫層對罐壁加速度的減震效應也與地震烈度關聯不大。由此可見，在El centro波作用下，保溫層對內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、外罐壁的相對位移最大值出現在罐壁中部，即液固耦聯質點處，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變大。分析造成該現象的原因：液固耦聯質點的運動形式為儲液與罐壁同時運動，儲液對內罐壁具有較大的彈性沖擊，從而導致該處的加速度值較大，而保溫層會對該處的液固耦聯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、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。從試驗結果來看，地震烈度對內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，試驗模型的外罐相對安全，內罐容易受到威脅。此外，隨著地震烈度的增大，保溫層對內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變，由圖12-13可以得出：在不填充保溫層時，環向應變的最大值和最小值分別出現在罐壁的東向和南向，而軸向應變的最大值和最小值分別出現在罐壁的南向和東向。在填充保溫層后，內罐壁的應變表現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向應變最大，在順應地震動方向罐壁的軸向應變最大;填充保溫層后在順應地震動方向罐壁的環向應變最大，在垂直于地震動方向罐壁的軸向應變最大。除此之外，保溫層可對多數工況下的內罐壁應變起到減震作用。對于外罐壁應變，其軸向應變和環向應變在有、無保溫層時均表現為在順應地震動方向最大，在垂直于地震動方向最小，且保溫層對應變的減震效果十分有限，僅環向應變略微有所降低。其原因為在外罐一保溫層一內罐一儲液之問的相互作用中，保溫層對內罐壁正壓力具有緩沖作用，對外罐壁卻會造成擠壓。圖14-15結果表明：內、外罐的應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罐南向環向應變和外罐南向軸向應變的放大效應較為明顯。綜上所述，保溫層對內、外罐應變的減震效果不一，且與方向相關，地震烈度會在很大程度上影響罐壁的應變。

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，本文在該模型基礎上建立帶有保溫層的LNG儲罐模型。實際工程中LNG儲罐在內罐頂部安裝鋁制吊頂，且與內罐頂采用彈性毯密封。內、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成。本文將吊頂簡化為浮放在內罐壁頂部，保溫層僅考慮膨脹珍珠巖。在有限元模型中，內罐的高厚比較大，可視為薄壁結構，采用四節點等參殼單元，在仿真中采用的曲面薄殼可以準確地代表各種復雜的殼體外形，完全可滿足變形連續條件。殼單元理論假設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力_2引，圖17為殼單元的結點坐標、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用最廣泛的八結點六面體等參單元，如圖18所示。LNG采用三維流體單元，根據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、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）設置為4m/s²，各條地震動的加速度時程、頻譜特性和反應譜如圖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，通過對比內罐壁加速度、位移和儲罐的基底剪力等響應分析保溫層的作用效應，具體計算結果如表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儲罐的地震響應及對保溫層作用效應的影響。

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，但有、無保溫層時波高的變化率均在3%以內，故可認為保溫層對儲液的晃動無影響。

分析LNG儲罐內罐壁的地震響應。由圖28-30可知：填充保溫層后內罐壁的加速度、位移和有效應力均明顯降低。根據表2統計，在4種工況作用下，內罐壁平均加速度減震率為20%，平均位移減震率為70%，平均有效動應力減震率為50%。在不填充保溫層時，內罐壁加速度、位移和有效動應力峰值出現在罐壁中部偏上位置（液固耦聯質點處），在填充保溫層后，加速度和位移峰值出現在罐壁頂部，有效應力峰值在罐壁底部或頂部。分析其原因：在地震中，液固耦聯質點隨罐壁一起運動，儲液與罐壁之問的相互作用十分明顯，故液固耦聯質點會對內罐壁產生較大的沖擊，從而導致該處的加速度、位移和有效動應力較大。在填充保溫層后，內、外罐壁之問相當于增設了阻尼墻，這對液固耦聯質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會明顯降低。

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

分析地震烈度對儲罐地震響應的影響，以ElCentro地震波為例，調整其加速度峰值分別為2，4，6和8m/s²，計算9個抗震設計參量，表3為具體的地震響應和減震率。結果表明：隨著地震烈度的增大，保溫層對內罐壁有效動應力的減震率變小，對其位移的減震率增大。對于外罐響應，隨著地震動烈度的增大，保溫層對外罐位移的放大效應具有一定的抑制。此外，地震烈度對基底剪力和基底彎矩等其他地震響應的減震率沒有規律性影響。總體來說，不同地震烈度下保溫層對各類地震響應的影響不同，可以認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，三種地震響應隨地震烈度的增大大致呈線性增大，這與試驗結果反映出的晃動趨勢一致。仿真結果表明，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致液體從內罐中溢出，因此大型液固耦合結構遭受大震時的晃動應被重點分析。此外，在加速度峰值為8m/s²的地震動作用下，內罐壁的有效應力已經超過內罐材料的屈服強度490MPa，且外罐的位移會導致混凝土的開裂，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值仿真結果可以得到：保溫層對儲罐的基底剪力、基底彎矩和內罐的地震響應具有一定的減震作用，對晃動波高沒有控制效果，并會導致外罐壁層問位移和有效動應力的增大。在中小震作用下，預應力鋼筋混凝土外罐壁0.005m的層問位移和1.5MPa以內的有效動應力不會引起罐壁的嚴重破壞。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，保溫層對內罐地震響應的控制具有積極作用，在LNG儲罐的抗震設計中，可考慮適當增大保溫層阻尼來提高內罐的抗震性能，但對外罐也要采取相應的減震措施，避免由于層問位移和應力的增大而導致的外罐壁破壞。

3結論

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

1.綜合試驗與數值仿真結果得出：保溫層對內罐的地震響應和外罐的加速度、環向應力具有減震作用，但對外罐位移和軸向應力具有放大效應，且地震動的作用方向對罐壁應變的影響較大。故保溫層對儲罐的內罐減震效果良好，對外罐的地震響應的控制效果有限。

2.數值仿真結果與試驗結果所反映的地震響應趨勢一致，驗證了數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，儲罐的地震響應增大，其內罐應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地震響應的阻尼效應與地震動烈度關聯不大。

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，但同時應注意到外罐地震響應的增大。