全容式lng儲(chǔ)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(shè)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(chǔ)罐的混凝土外罐是由圓形底板、圓柱形預(yù)應(yīng)力罐壁和穹形罐頂組成的超靜定結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行混凝土外罐的有限元分析時(shí)必須先確定外罐的幾何尺寸這些幾何尺寸的合理與否關(guān)系到計(jì)算分析的效率。通過對(duì)外罐在起控制作用的荷載作用下的受力特性分析結(jié)合不同設(shè)計(jì)極限狀態(tài)下的強(qiáng)度和正常使用要求及各自的荷載系數(shù)推導(dǎo)了罐頂厚度、罐頂腋部厚度和罐壁厚度的計(jì)算公式。研究結(jié)果已

2、應(yīng)用到江蘇LNG、大連LNG的工程設(shè)計(jì)中證明是正確的關(guān)鍵詞：全容式LNG儲(chǔ)罐；外罐；厚度取值；有限元分析doi：103969／jissn100122062012030050弓l言全容式LNG儲(chǔ)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(jí)容器為LNG的存儲(chǔ)提供安全的內(nèi)部操作環(huán)境保護(hù)內(nèi)罐免遭外部災(zāi)難事件的破壞且在內(nèi)罐破裂時(shí)能提供安全保護(hù)，防止液體泄漏到罐外。圖1全容式LNG儲(chǔ)

3、罐示意罐壁罐壁混凝土外罐是由圓形底板、圓柱形預(yù)應(yīng)力罐壁和穹形罐頂組成的超靜定結(jié)構(gòu)且其受力狀況比較復(fù)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(zāi)和內(nèi)罐泄漏等異常作用，因此，在對(duì)其進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)無法通過簡單的分析獲得其在各個(gè)工況下的力學(xué)特性而必須借助有限元方法來對(duì)其進(jìn)行大量的數(shù)值分析在進(jìn)行混凝土外罐的有限元分析時(shí)，必須先確定外罐的幾何尺寸建立分析模型然后才能進(jìn)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(guān)系到計(jì)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(duì)外罐在起控制作用的荷載作用下的受力特性分析結(jié)合不同設(shè)計(jì)極限狀態(tài)下的強(qiáng)度和正常使用要求及各自的荷載系數(shù)推導(dǎo)了罐頂厚度、罐頂腋部厚度和罐壁厚度的計(jì)算公式。1混凝土外罐的基本尺寸和計(jì)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(shè)22罐頂腋部厚度th的計(jì)算腋部厚度t的受荷工況和計(jì)算原則與罐頂厚度相同。假設(shè)腋部與水平方向的夾角為0，則sin0=D／2R。221ULS狀態(tài)計(jì)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(jì)算腋部截面單位寬度上的拉力‰(kN)：仃Fsrs：=㈣混凝土拉應(yīng)力應(yīng)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(jì)算公式：th≥DX4(3625—25t)sin0一(—1)X(435—25t4000sin0(9)23罐壁厚度的計(jì)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(yù)應(yīng)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(yàn)時(shí)的氣體內(nèi)壓g、內(nèi)罐泄漏后液體對(duì)罐壁的靜水壓力qL和施加于罐壁的環(huán)向預(yù)應(yīng)力荷載口。其計(jì)算原則為：(1)承載力極限狀態(tài)(U

7、LS)計(jì)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(shí)混凝土壓應(yīng)力不超過幾。(2)正常使用極限狀態(tài)(SLS)計(jì)算，在預(yù)應(yīng)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(shè)置在正常使用階段的混凝土壓應(yīng)力限值，該限值不應(yīng)超過0(為混凝土立方抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值)_q。231預(yù)應(yīng)力荷栽口。計(jì)算預(yù)應(yīng)力荷載口的取值應(yīng)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(dāng)內(nèi)罐發(fā)生大泄漏時(shí)由于低溫液體與罐壁內(nèi)側(cè)直接接觸會(huì)使罐壁產(chǎn)生很大的溫度效應(yīng)即罐壁內(nèi)側(cè)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(yù)應(yīng)力，即取q=Iiq，k為放大系數(shù)可參考后面的公式計(jì)算結(jié)果取值。一qD~1000一小(kP2t10000002000ta)w一w一(10)232ULS(大泄漏情

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