LNG储罐保温层减震效应研究
罗东雨 孙建刚 柳春光 崔利富 王振
摘要：作为存储超低温介质的特种设备，LNG储罐在内、外罐之间填充了膨胀珍珠岩作为保温层。在现有的LNG储罐地震响应研究中，保温层常被忽略。基于振动台试验和数值仿真两种方法对LNG储罐的地震响应和保温层的减震效应进行了分析。在不同加速度峰值的El Centro地震动作用下，试验结果表明：保温层对内罐的地震响应及外罐的加速度和环向应变具有减震效果，但对外罐位移和轴向应变却有放大效应;储液的晃动随地震动加速度峰值的增大呈线性增大，且保温层对储罐地震响应的影响与地震动强度关联不大。数值仿真结果表明：填充保温层后，除外罐壁位移和有效动应力有所增大以外，其余的地震响应均具有不同程度的降低，数值仿真与振动台试验所反映的地震响应趋势相同，验证了数值仿真模型的合理性，在后续大型LNG储罐的地震响应分析中可以被应用。综上所述：在进行LNG储罐的抗震设计时，为了保证内罐的安全性，可以考虑增大保温层的阻尼来提高内罐的抗震强度，但同时应注意外罐位移的增大而引起混凝土开裂。
关键词：LNG储罐;保温层;地震烈度;振动台试验;数值仿真;减震
中图分类号：TU352.1文献标志码：A 文章编号：1004-4523（2020）05-0885-16
DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.05.004
引言
在发展绿色能源的大环境下，液化天然气行业的发展进人到了黄金期。中国在全国各地大范围建设LNG接收站，而全容式LNG储罐的应用最广，但大型全容式LNG储罐的结构形式与一般储罐相比显著不同，其结构为双层结构体系，包括钢制内罐和预应力钢筋混凝土外罐，在内、外罐之问的环形空问内填充膨胀珍珠岩和弹性毡进行保温。作为存储超低温及易燃易爆介质的特种结构，LNG储罐的安全等级等同于核电设施，因此，进行LNG储罐的地震响应研究十分必要。目前，在LNG储罐的抗震与隔震分析方面，数值仿真和理论推导成果较多，但由于LNG储罐特殊的结构形式难以进行试验设计，因此现阶段的振动台试验仅局限于立式石油储罐。此外，在LNG储罐的爆炸分析中，内、外罐壁之问的环形保温层可起到传递荷载的作用而使罐壁强度有所提高，而这一影响在地震作用中也会有所体现。目前，虽有学者通过研究证明保温层对储罐具有一定的减震效果，但该结论还缺少试验支撑。笔者设计LNG储罐缩尺模型进行了振动台试验，分析了液位对保温层阻尼效应的影响。本文以满液位储罐为分析对象，更为深人地研究了不同烈度地震动作用下保温层对内、外罐的作用效应，并采用ADINA对大型全容式LNG储罐的地震响应进行补充计算，分析了LNG储罐在地震荷载下的动力响应，研究了保温层对LNG储罐的减震效应。
1LNG储罐振动台试验
1.1试验设计
以全容式16×104m3LNG储罐为原型，其内罐直径80m，壁厚上薄下厚，上部0.012m，下部0.0249m。外罐直径82m，壁厚为等厚0.8m，高38.55m。穹顶边缘厚中问薄，最厚部位0.8m，最薄部位0.4m，罐底板厚0.9m，满液位储液高度为34m，内、外罐问距为1m。本试验使用的振动台尺寸为3m×3m，受到台面尺寸的限制，试验只能设计欠质量模型。为最大限度利用振动台台面，设计模型直径与台面边长相同，故其几何相似比为S1=Lp/Lm=27（下角标p代表原型储罐，下角标m代表模型储罐，下同）。按照该相似比模型的外罐高1.43m，内罐高1.31m。本试验在满液位下进行，储液高1.24m。由于缩尺比过大，试验很难实现定量分析，因此本试验重点分析保温层对LNG储罐的影响趋势。试验根据实际条件选择合适的材料，即模型储罐采用Q235钢，储液采用水代替。为采集罐壁加速度和位移，试验将内、外罐传感器沿罐壁高度布置，外罐加速度和位移传感器各5个，内罐加速度和位移传感器分别为5个和3个。由于内罐传感器不能在水中工作，故将传感器安置在内、外罐壁之问。按照前述给出的长度相似比计算出的内、外罐问距为37mm，而位移传感器和磁性表座在该问距下不能被安置，故需将内、外罐的问距人为扩大，此处借鉴其他学者调整试验相似比的思想，最终根据位移传感器尺寸设定内、外罐问距为0.16m。问距的扩大会在一定程度上对试验产生负面影响，因此需要在其他方面进行一定的调整以作适当的补救。对于储液结构，缩尺设计中应考虑流固耦合相互作用，为了弥补由于扩大内、外罐问距而被放大的保温层影响效应，调整罐壁厚度是较为可行的，因此将按照文献[20]给出的方法计算出的罐壁厚度适当放大，最终设定内罐壁的厚度为0.001m，外罐壁的厚度为0.03m。时问相似比为st=tp/tm，对于储罐来说，液体的脉冲和对流周期相似比差别很大，且由于试验模型的几何相似比过大而导致了模型罐与原型罐的晃动周期也相差甚大，若按时问相似比对地震动进行压缩则无法满足振动台的输入条件，故本试验不按照时问相似比对地震动进行压缩，最终试验采用的压缩地震动的卓越频率为9Hz。试验模型罐的尺寸及测点布置如图1所示，传感器的安装和模型的安放如图2和图3所示。
1.2试验结果分析
选取El Centro地震動进行振动台试验，地震动加速度峰值分别为2，4，6和8m/s2，由地震动的频谱分析得到其卓越频率为9Hz，通过对试验模型进行正弦扫频得到储罐内罐和外罐的频率均在5Hz之内，故可避免结构产生共振。单向输入南北方向地震动，图4和5为地震动加速度峰值为4m/s2时的加速度频谱和位移时程。
试验对晃动波高及内、外罐壁的加速度、位移和应变进行分析，具体结果如下：
通过对比图6-8罐壁的加速度放大系数和减震率可知：加速度沿罐壁高度逐渐增大，内罐的加速度响应明显大于外罐，本试验工况下内罐壁加速度放大系数是外罐壁的2-3倍。填充保温层后，罐壁加速度的放大趋势变缓，内、外罐壁的加速度放大系数明显减小，内罐加速度沿罐壁高度的减震率在20%-55%之问，外罐的减震率在10%-27%之问，故保温层对内罐加速度的减震效果更为明显。此外，在无保温层时，内、外罐加速度放大系数随着地震烈度的增大先增大后减小;在填充保温层后，内、外罐壁的加速度放大系数随地震烈度的变化没有特定规律，且保温层对罐壁加速度的减震效应也与地震烈度关联不大。由此可见，在El centro波作用下，保温层对内外罐的加速度具有减震作用，在不同烈度地震动下减震效果均较为明显。
通过对比图9-11罐壁位移的变化趋势和减震率可知：首先，在不填充保温层时，内、外罐壁的相对位移最大值出现在罐壁中部，即液固耦联质点处，而在填充保温层后，罐壁中部和顶部的相对位移值较为接近，且随着地震烈度的增大顶部的位移越发变大。分析造成该现象的原因：液固耦联质点的运动形式为储液与罐壁同时运动，储液对内罐壁具有较大的弹性冲击，从而导致该处的加速度值较大，而保温层会对该处的液固耦联作用具有一定的缓冲和减震，从而使位移大幅减小。在填充保温层后，内、外罐壁的相对位移明显减小，减震率可达到40%-80%，而外罐壁的位移在个别工况下会被放大。由此可见，保温层对内罐壁的位移具有很好的控制作用，而对外罐壁位移控制作用不大，例如在加速度峰值为6m/s2时，外罐顶部位移有所放大。从试验结果来看，地震烈度对内罐位移的影响较为明显，而对外罐的影响不明显。图9和图10表明，随着地震烈度的增大，内罐中部和顶部的位移随之增大，而外罐位移变化不大。由此可见，在遭遇大震时，试验模型的外罐相对安全，内罐容易受到威胁。此外，随着地震烈度的增大，保温层对内罐位移的减震率影响很小，在大震时减震率会降低，地震烈度对外罐的减震率影响不大。
以加速度峰值为4m/s2的地震动为例分析罐壁的应变，由图12-13可以得出：在不填充保温层时，环向应变的最大值和最小值分别出现在罐壁的东向和南向，而轴向应变的最大值和最小值分别出现在罐壁的南向和东向。在填充保温层后，内罐壁的应变表现出了相反的变化趋势，即无保温层时在垂直于地震动方向罐壁的环向应变最大，在顺应地震动方向罐壁的轴向应变最大;填充保温层后在顺应地震动方向罐壁的环向应变最大，在垂直于地震动方向罐壁的轴向应变最大。除此之外，保温层可对多数工况下的内罐壁应变起到减震作用。对于外罐壁应变，其轴向应变和环向应变在有、无保温层时均表现为在顺应地震动方向最大，在垂直于地震动方向最小，且保温层对应变的减震效果十分有限，仅环向应变略微有所降低。其原因为在外罐一保温层一内罐一储液之问的相互作用中，保温层对内罐壁正压力具有缓冲作用，对外罐壁却会造成挤压。图14-15结果表明：内、外罐的应变随着地震烈度的增大而增大，且在大震作用下保温层对内罐南向环向应变和外罐南向轴向应变的放大效应较为明显。综上所述，保温层对内、外罐应变的减震效果不一，且与方向相关，地震烈度会在很大程度上影响罐壁的应变。
由图16可以得出：在地震动加速度峰值为4m/s2时，储液在有、无保温层时的晃动波形大致相同，在无保温层时晃动波高的波峰和波谷略大。综合分析其他试验工况下的结果得出：有、无保温层时的晃动波高相近，随着地震动加速度峰值的增大，晃动波高大致呈线性增大。
216×104m3LNG储罐数值仿真分析
2.1有限元模型的建立
采用有限元分析平台ADINA建立16×104m3LNG储罐等比例精细化模型。对于无保温层LNG储罐，文献[9]已证实该模型的合理性，本文在该模型基础上建立带有保温层的LNG储罐模型。实际工程中LNG储罐在内罐顶部安装铝制吊顶，且与内罐顶采用弹性毯密封。内、外罐壁之问的保温层由0.3m的弹性毡和0.7m的膨胀珍珠岩粉末构成。本文将吊顶简化为浮放在内罐壁顶部，保温层仅考虑膨胀珍珠岩。在有限元模型中，内罐的高厚比较大，可视为薄壁结构，采用四节点等参壳单元，在仿真中采用的曲面薄壳可以准确地代表各种复杂的壳体外形，完全可满足变形连续条件。壳单元理论假设材料微观粒子的初始方向与中面法线方向一致并在变形时保持不变，且在中面法线方向无应力_2引，图17为壳单元的结点坐标、位移形式和有限元模型。外罐及底板因厚度较大而采用三维实体单元，为达到较高的计算精度选择应用最广泛的八结点六面体等参单元，如图18所示。LNG采用三维流体单元，根据势流体理论考虑液固耦合的相互作用，图19为储液的流固耦合单元和有限元模型。珍珠岩采用三维实体单元，且与内、外罐壁和底板分别做接触，其有限元模型如图20所示。LNG储罐模型各部分的材料参数和单元如表1所示，整体有限元模型如图21所示。
2.2计算结果分析
选取4条地震动进行单向地震作用分析，PGA（地面峰值加速度）设置为4m/s2，各条地震动的加速度时程、频谱特性和反应谱如图22-24所示。计算不考虑保温层与考虑保温层时LNG储罐的地震响应，通过对比内罐壁加速度、位移和储罐的基底剪力等响应分析保温层的作用效应，具体计算结果如表2所示。此外，以El Centro地震波为例，计算分析地震烈度对大型LNG储罐的地震响应及对保温层作用效应的影响。
分析LNG储罐的基底剪力、基底弯矩和晃动波高。由图25-26和表2可知：填充保温层后，储罐的基底剪力和基底弯矩具有一定程度的降低，平均减震率在20%左右。图27显示：保温层对晃动波高的影响不明显，在金门公园和Pasadena地震动作用下填充保温层后波高略微降低，但在ElCentro和Taft地震动作用下保温层对波高具有微小的放大效应，但有、无保温层时波高的变化率均在3%以内，故可认为保温层对储液的晃动无影响。
分析LNG储罐内罐壁的地震响应。由图28-30可知：填充保温层后内罐壁的加速度、位移和有效应力均明显降低。根据表2统计，在4种工况作用下，内罐壁平均加速度减震率为20%，平均位移减震率为70%，平均有效动应力减震率为50%。在不填充保温层时，内罐壁加速度、位移和有效动应力峰值出现在罐壁中部偏上位置（液固耦联质点处），在填充保温层后，加速度和位移峰值出现在罐壁顶部，有效应力峰值在罐壁底部或顶部。分析其原因：在地震中，液固耦联质点随罐壁一起运动，储液与罐壁之问的相互作用十分明显，故液固耦聯质点会对内罐壁产生较大的冲击，从而导致该处的加速度、位移和有效动应力较大。在填充保温层后，内、外罐壁之问相当于增设了阻尼墙，这对液固耦联质点的冲击具有一定的缓冲和减震作用，因此该处的地震响应会明显降低。
分析LNG储罐外罐壁的地震响应。由图31-33可知：在不填充保温层时，外罐壁的加速度、位移和有效应力峰值均出现在罐壁顶部，在填充保温层后，个别地震响应峰值的位置出现变化。表2地震响应峰值的减震率表明：在填充保温层后外罐壁的加速度基本没有变化，而外罐壁位移和有效动应力却明显增大。由此可见，保温层对外罐壁的地震响应不但没有控制作用甚至具有放大效应。该结果与试验结果吻合较好。
分析地震烈度对储罐地震响应的影响，以ElCentro地震波为例，调整其加速度峰值分别为2，4，6和8m/s2，计算9个抗震设计参量，表3为具体的地震响应和减震率。结果表明：随着地震烈度的增大，保温层对内罐壁有效动应力的减震率变小，对其位移的减震率增大。对于外罐响应，随着地震动烈度的增大，保温层对外罐位移的放大效应具有一定的抑制。此外，地震烈度对基底剪力和基底弯矩等其他地震响应的减震率没有规律性影响。总体来说，不同地震烈度下保温层对各类地震响应的影响不同，可以认为地震烈度对保温层的减震效果影响很小。
以基底剪力、基底弯矩和晃动波高三种常见的抗震设计参量为例进行地震烈度影响分析，图34表明，三种地震响应随地震烈度的增大大致呈线性增大，这与试验结果反映出的晃动趋势一致。仿真结果表明，在大震作用下，晃动波高峰值超过2m，实际工程中该晃动峰值会导致液体从内罐中溢出，因此大型液固耦合结构遭受大震时的晃动应被重点分析。此外，在加速度峰值为8m/s2的地震动作用下，内罐壁的有效应力已经超过内罐材料的屈服强度490MPa，且外罐的位移会导致混凝土的开裂，由此说明，储罐在大震下的安全性会受到威胁。
综合分析振动台试验与数值仿真结果可以得到：保温层对储罐的基底剪力、基底弯矩和内罐的地震响应具有一定的减震作用，对晃动波高没有控制效果，并会导致外罐壁层问位移和有效动应力的增大。在中小震作用下，预应力钢筋混凝土外罐壁0.005m的层问位移和1.5MPa以内的有效动应力不会引起罐壁的严重破坏。在大震作用下，外罐位移变大，同時保温层也会引起其位移变大，其安全性遭到威胁。综合看来，保温层对内罐地震响应的控制具有积极作用，在LNG储罐的抗震设计中，可考虑适当增大保温层阻尼来提高内罐的抗震性能，但对外罐也要采取相应的减震措施，避免由于层问位移和应力的增大而导致的外罐壁破坏。
3结论
本文基于振动台试验和数值仿真两种方法对LNG储罐保温层的减震效应进行了分析，主要得出以下结论：
1.综合试验与数值仿真结果得出：保温层对内罐的地震响应和外罐的加速度、环向应力具有减震作用，但对外罐位移和轴向应力具有放大效应，且地震动的作用方向对罐壁应变的影响较大。故保温层对储罐的内罐减震效果良好，对外罐的地震响应的控制效果有限。
2.数值仿真结果与试验结果所反映的地震响应趋势一致，验证了数值仿真方法的可行性和合理性，在进行大型LNG储罐地震响应研究时，可以使用本文的仿真模型进行分析。
3.随着地震动烈度的增大，储罐的地震响应增大，其内罐应力会超过材料的屈服强度，外罐位移会引起混凝土开裂。储液的晃动波高随地震烈度的增大大致呈线性变化，且保温层对储罐多数地震响应的阻尼效应与地震动烈度关联不大。
4.鉴于保温层具有一定的减震效果，可考虑合理增大填充物的阻尼来提高LNG储罐的抗震性能，但同时应注意到外罐地震响应的增大。
