全容式lng儲罐混凝土外罐的罐壁罐頂厚度取值研究

1、l6石油工程建設李金光，鄭建華，姚國明，李林凱(中國寰球工程公司，北京100029)摘要：全容式LNG儲罐的混凝土外罐是由圓形底板、圓柱形預應力罐壁和穹形罐頂組成的超靜定結構。在進行混凝土外罐的有限元分析時必須先確定外罐的幾何尺寸這些幾何尺寸的合理與否關系到計算分析的效率。通過對外罐在起控制作用的荷載作用下的受力特性分析結合不同設計極限狀態(tài)下的強度和正常使用要求及各自的荷載系數(shù)推導了罐頂厚度、罐頂腋部厚度和罐壁厚度的計算公式。研究結果已

2、應用到江蘇LNG、大連LNG的工程設計中證明是正確的關鍵詞：全容式LNG儲罐；外罐；厚度取值；有限元分析doi：103969／jissn100122062012030050弓l言全容式LNG儲罐是由鋼質(zhì)內(nèi)罐和混凝土外罐組成的聯(lián)合體(見圖1)【n其內(nèi)罐作為主容器用來盛裝低溫LNG液體；混凝土外罐作為次級容器為LNG的存儲提供安全的內(nèi)部操作環(huán)境保護內(nèi)罐免遭外部災難事件的破壞且在內(nèi)罐破裂時能提供安全保護，防止液體泄漏到罐外。圖1全容式LNG儲

3、罐示意罐壁罐壁混凝土外罐是由圓形底板、圓柱形預應力罐壁和穹形罐頂組成的超靜定結構且其受力狀況比較復雜，既要承受正常操作荷載、試水試壓等施工荷載的作用，還要承受外部爆炸荷載、飛行物沖擊、地震、外部火災和內(nèi)罐泄漏等異常作用，因此，在對其進行工程設計時無法通過簡單的分析獲得其在各個工況下的力學特性而必須借助有限元方法來對其進行大量的數(shù)值分析在進行混凝土外罐的有限元分析時，必須先確定外罐的幾何尺寸建立分析模型然后才能進行各種荷載工況的受力分析。

4、這些幾何尺寸的合理與否關系到計算分析的效率若尺寸不合適，還需修改模型重新分析本文通過對外罐在起控制作用的荷載作用下的受力特性分析結合不同設計極限狀態(tài)下的強度和正常使用要求及各自的荷載系數(shù)推導了罐頂厚度、罐頂腋部厚度和罐壁厚度的計算公式。1混凝土外罐的基本尺寸和計算參數(shù)11混凝土外罐的基本尺寸混凝土外罐的基本尺寸見圖2注：D為外罐的內(nèi)直徑，m；t為罐頂中心部位的厚度，m；th為罐頂腋部的厚度／m；t為罐壁的厚度／m；0為罐頂腋部的傾角／(

5、。)；R為罐頂?shù)那拾霃剑痬，一般情況下，R的取值為(08～12)D。圖2混凝土外罐的幾何尺寸l8石油工jc建設22罐頂腋部厚度th的計算腋部厚度t的受荷工況和計算原則與罐頂厚度相同。假設腋部與水平方向的夾角為0，則sin0=D／2R。221ULS狀態(tài)計算腋部截面單位寬度上的拉力(kN)：1TD==(6)截面所需的鋼筋面積A(mm)：爭：鼉(7)222SIS狀態(tài)計算腋部截面單位寬度上的拉力‰(kN)：仃Fsrs：=㈣混凝土拉應力應滿足(

6、4)式，將(7)式和(8)式代入(4)式可得腋部厚度t(In)的計算公式：th≥DX4(3625—25t)sin0一(—1)X(435—25t4000sin0(9)23罐壁厚度的計算罐壁的厚度t主要由環(huán)向受力決定，豎向受力可通過豎向預應力來調(diào)節(jié)所以不起控制作用。罐壁所受的環(huán)向荷載主要為正常操作階段的蒸氣內(nèi)壓g、氣壓試驗時的氣體內(nèi)壓g、內(nèi)罐泄漏后液體對罐壁的靜水壓力qL和施加于罐壁的環(huán)向預應力荷載口。其計算原則為：(1)承載力極限狀態(tài)(U

7、LS)計算，大泄漏情況下混凝土內(nèi)壁受拉開裂后外部受壓區(qū)高度不小于100mm[41，同時混凝土壓應力不超過幾。(2)正常使用極限狀態(tài)(SLS)計算，在預應力下罐壁環(huán)向受壓為了避免出現(xiàn)縱向壓縮裂縫、微觀裂縫和較高的徐變，有必要設置在正常使用階段的混凝土壓應力限值，該限值不應超過0(為混凝土立方抗壓強度標準值)_q。231預應力荷栽口。計算預應力荷載口的取值應取下面兩組荷載組合值的較大值：q1=y(ULS)g=12X3625=435(kPa)

8、q2=(ULS)gTL(ULS)釓=14X29104809834／1000=2005(kPa)可見，qlg2，故選取組合荷載q≥g2。一般情況下當內(nèi)罐發(fā)生大泄漏時由于低溫液體與罐壁內(nèi)側直接接觸會使罐壁產(chǎn)生很大的溫度效應即罐壁內(nèi)側受拉開裂，為了減小這種影響一般在受力較大的部位增加預應力，即取q=Iiq，k為放大系數(shù)可參考后面的公式計算結果取值。一qD~1000一小(kP2t10000002000ta)w一w一(10)232ULS(大泄漏情

9、況)計算在大泄漏情況下當蒸汽壓力為0時且不考慮罐壁溫度效應對預應力產(chǎn)生的影響時罐壁橫截面受的壓應力為：g=Leak)q一(kPa)(11)根據(jù)受壓區(qū)高度的要求，應滿足：旦生≥h(12)k式中_截面受壓區(qū)高度，m，應不小于01m；——混凝土軸心抗壓強度標準值／MPa。將(11)式代人到(12)式，得：，233SLS狀態(tài)計算在正常操作工況下當蒸氣內(nèi)壓為0時罐壁僅受預應力作用當不考慮罐壁配筋受壓力的有利影響時(偏安全考慮)，預應力壓力全部由混