20万立方米LNG储罐设计

中国寰球工程公司CHINAHUANQIUCONTRACTING&ENGINEERINGCORP.20万立方米LNG储罐设计公司结构专业副总工程师郑建华2016年12月寰球公司简介中国寰球工程有限公司成立于1953年，2005年加入中国石油天然气集团公司。是以技术为主线，设计为龙头，集研发、咨询、设计、采购、施工、开车指导等多功能于一体的国际工程公司，是智力密集、技术密集的科技型大型国有骨干企业。年营业额约160亿元人民币。寰球公司简介主要业务领域完工时间项目名称规模2016江苏LNG接收站项目（二期）300万吨/年1×200,000m3LNG储罐2015唐山LNG项目接收站应急调峰工程1×160,000m3LNG储罐2014南通港呂四港区广汇能源LNG分销转运站项目2×50,000m3LNG储罐2014山东泰安天然气液化项目60万吨/年2013唐山LNG接收站项目（一期）350万吨/年2012陕西安塞天然气液化项目50万吨/年2011大连LNG接收站项目（一期）300万吨/年2011江苏LNG接收站项目（一期）350万吨/年2009天津大沽乙烯接收站项目30,000m3LEG储罐2006深圳大鹏LNG接收站项目370万吨/年2004广西钦州LPG储运站2x40,000m3低温罐2003湛江米克化能液氨（LPG）储运站2x30,000m3低温罐1999张家港LPG罐区2x30,000m3低温罐1996深圳华安LPG储运站2x80,000m3低温罐EPC类LNG与离岸工程业绩1项目简介目录2储罐简介标准3规范标准4场地反应谱5混凝土外罐结构设计69Ni%钢内罐设计江苏LNG项目接收站二期工程在一期工程内预留位置进行扩建，扩建后总规模达到650×104t/a。本工程位于江苏省如东县西太阳沙洲的人工岛上，西距小洋口港约30km、东南距吕泗港约50km、西南距如东县城约32km。一期工程已建成3座有效容积16万立方米的LNG储罐，二期工程新建1座存储容积达22.3万立方米，有效容积为20万立方米全容式LNG储罐。这是目前国内单罐罐容最大的LNG储罐。一、项目简介一、项目简介江苏LNG接收站鸟瞰图项目由中国寰球工程有限公司EPC总承包完成。设计、采购、内罐施工、开车、管理：寰球公司外罐施工：上海电建2010,10~2014,920万方LNG储罐设计和建造研发部分设计验证：韩国KOGAS2013,9,6桩基施工开始2015,3,8气顶升完成2016,7,4水压试验完成2016,11,3建立目标液位，投产成功施工历时：近38个月一、项目简介一、项目简介一、项目简介一、项目简介一、项目简介一、项目简介一、项目简介一、项目简介一、项目简介一、项目简介一、项目简介第十三带板的安装一、项目简介一、项目简介一、项目简介一、项目简介江苏20万立方米的LNG储罐为全包容式LNG储罐。9%Ni钢制内罐、9%Ni钢制热角保护罐、铝合金吊顶、16MnDR钢衬板、预应力混凝土外罐。二、储罐简介保冷系统设置为：在内罐罐底与外罐底板之间铺设硬质泡沫玻璃保冷块；在硬质泡沫玻璃保冷块与外罐罐壁或与钢筋混凝土环梁的交界处用玻璃纤维进行隔离；内罐顶部做一层铝吊顶，吊顶上面铺设珍珠岩；在铝吊顶和内罐顶的交界处用弹性毯进行密封；在内罐罐壁与外罐罐壁之间的环形空间内依次铺设弹性毯和珍珠岩进行保冷；在外罐罐壁与底板相交的底部5米范围内设置一道由泡沫玻璃保冷块和含镍元素9%的低温钢板构成的边角保护系统。二、储罐简介二、储罐简介储罐基本设计参数部位项次参数单位内罐直径84.2m高度40.23m最高设计液位38.92m净容量200,000m3LNG数据液体密度480kg/m3最低设计温度-170℃热角保护直径86.07m高度（从底板顶算）5.0m操作条件最低设计压力-0.5kPaG最高设计压力29kPaG底部保冷厚度0.717m外罐大泄漏液位37.92+0.717m基础基础类型电伴热低承台桩基础桩直径1.4m桩基根数401设计寿命储罐的设计寿命50年二、储罐简介混凝土外罐的主要尺寸三、规范标准国际标准EN14620Designandproductionofon-sitemanufacturingofsteeltankwithverticalcylinderandflatbaseforliquidgas'srefrigerationstorageunderworkingtemperature0℃～-165℃NFPA59AProduction,storageandhandlingofliquefiednaturalgasEN1473DeviceandequipmentofliquefiednaturalgasDesignofland-boundequipmentAPI620-2013DesignandConstructionofLow-pressureStorageTanksEN1991-4:2006Actionsonstructures.SilosandtanksEN1992-1-1:2004Designofconcretestructures.GeneralrulesandrulesforbuildingsEN1998-4:2006Designofstructuresforearthquakeresistance.Silos,tanksandpipelinesACI318CodeforreinforcedconcretebuildingsACI376M-11CodeRequirementsforDesignandConstructionofConcreteStructuresfortheContainmentofRefrigeratedLiquefiedGases三、规范标准国内标准GB/T20368-2012液化天然气(LNG)生产、储存和装运-NFPA59AGB/T26978-2011现场组装立式圆筒平底钢质液化天然气储罐的设计与建造-EN14620GB50011-2010建筑抗震设计规范（含2016年局部修订）GB51081-2015低温环境混凝土应用技术规范GB51156-2015液化天然气接收站工程设计规范三、规范标准三、规范标准三、规范标准三、规范标准三、规范标准四、场地反应谱sTTTTTTTssTTTTTT0.604.004.0)/(04.004.0)1(11)(22112maxmax1max≤≤≤≤−−−+=γββββ地震安全评估报告提供的反应谱根据“江苏LNG工程场地地震安全性评价报告”，5%阻尼比的反应谱可用下式表示:)()(maxTATSaβ⋅=地表水平向地震影响系数超越概率（50年）Amax(gal)T1(sec)T2(sec)βmaxγαmax(g)10%(OBE)1450.200.802.51.20.3702%(SSE)2300.201.102.61.20.610当阻尼比不等于5%时,用于OBE和SSE计算的反应谱应进行修正，其修正系数应按《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的要求来进行。四、场地反应谱规范提供的反应谱依据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010及《江苏LNG项目储罐区详勘岩土工程勘察报告》，本项目场地抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度为0.10g，属设计地震第一组，场地土为中软场地土，场地属Ⅲ类建筑场地，设计特征周期0.45s，其水平地震反应谱为:地表水平向地震影响系数[][]≤≤−−⋅≤≤≤≤≤≤−+=105)5(2.05)/(1.01.001.0/)45.0(45.0max12max2max2max2TTTTTTTTTTTTTggggggαηηαηαηαηαγγ)63.0/()05.0(9.0ξξγ+−+=)324/()05.0(02.01ξξη+−+=)6.108.0/()05.0(0.12ξξη+−+=超越概率（50年）PGA(g)αmax(g)T1(s)Tg(s)OBE0.10.240.10.45SSE0.2250.500.10.50四、场地反应谱反应谱的确定比较表上述两个表可知，地震安全评估报告提供的水平向反应谱大于规范规定的反应谱，设计时应选择地震安全评估报告提供的反应谱。当采用《建筑抗震设计规范》提供的修正系数时，在长周期处会出现不同阻尼比曲线的交叉，故对不同的阻尼比反应谱，应对规范提供的上述参数公式进行修正，修正后的结果为：)63.0/()05.0(9.0ξξγ+−+=)324/()05.0(02.01ξξη+−+=)6.108.0/()05.0(0.12ξξη+−+=≤−−≤≤≤−−−+≤=0.105))5(2.0(5)/(04.0)04.004.0)1(1(04.01)(2212max222max221max211max2TTTTTTTTTTTTTTTTTTηηββηβηβηβγγ)63.0/()05.0(2.1ξξγ+−+=)3214/()05.0(02.01ξξη+−+=)6.108.0/()05.0(12ξξη+−+=四、场地反应谱反应谱的确定由于SSE谱值不应大于两倍的OBE反应谱的谱值，故对上式描述的反应谱曲线应进行检查并修正，当SSE曲线纵坐标值大于2倍的OBE曲线纵坐标值时，应取2倍的OBE曲线纵坐标值为修正后的SSE曲线的纵坐标值，经修正后的设计反应谱曲线见图五、混凝土外罐结构设计外罐设计方法在混凝土外罐设计中，使用两种分析方法对混凝土外罐进行设计。第一种为线性分析，在载荷作用效应组合的基础上，对结构配筋后的承载能力极限状态（ULS）和正常使用极限状态（SLS）进行验算。第二种为非线性分析，用来验算特殊设计状态，主要涉及大泄漏状态及外部火灾状态。对于线性分析，应遵循以下各项：1)使用有限元软件建立混凝土外罐的计算模型。通过该模型，可以得到作用于储罐的各种荷载工况所引起的构件截面内力。2)根据构件截面预估配筋方案相同的原则，将几何构件分为不同的设计组。3)分析所有SLS和ULS组合中的各设计状态所引起的构件内力。从这些作用组合中，归纳出每个设计组的内力包络图。4)将提取的构件内力验算构件截面配筋方案是否满足相关设计标准对于一些特殊的设计状态，线性分析方法的误差较大，不能真实地反映结构的受力状态，这时将使用非线性分析来进行结构分析。五、混凝土外罐结构设计外罐结构计算模型混凝土外罐是由圆形底板、圆柱形预应力罐壁和穹形罐顶组成的超静定结构，其受力状况比较复杂，既要承受施工阶段荷载、正常操作荷载、风荷载、预应力和试水试压等正常作用工况，还要承受外部爆炸荷载、飞行物冲击、地震、外部火灾和内罐泄露等异常作用工况，因此，在对混凝土外罐进行工程设计时，无法通过简单的分析获得各个工况下的力学特性，从而必须借助有限元方法来对其进行大量的数值分析。通常情况下，混凝土外罐的底板、罐壁和罐顶计算模型用三维板单元来模拟，桩用梁单元来模拟，土对桩的约束作用可用弹簧单元来模拟。由于结构的对称性，可取实体的一半来模拟，在对称面施加对称约束条件。在进行某些偶然荷载工况（内罐泄漏）下的非线性分析时，可采用二维轴对称模型来模拟。五、混凝土外罐结构设计外罐结构计算模型静力计算模型对有限元模型施加力学边界条件和荷载工况，进行静力计算得到应力、应变和内力。这种计算模型主要研究对象是外罐，所以保冷层材料和内罐及LNG液体均不需在模型中出现，仅把它们的荷载作用考虑进去即可。由于结构和边界条件的对称性，在计算中取一半实体结构建立3D壳单元模型进行有限元分析，3D壳单元模型是三维线弹性模型（不包含钢筋单元）。2D轴对称单元模型是非线性模型（包含钢筋单元），主要用来模拟在大泄漏情况下，外罐混凝土开裂后的力学特性。五、混凝土外罐结构设计外罐结构计算模型地震作用计算模型地震计算模型为3D壳单元模型。地震计算要考虑两种情况，一种是内罐为空罐时的情况，另一种是内罐装满液体时的情况。地震计算是一种动力计算，计算结