LNG运输储罐保温层减震效应研究

LNG运输储罐保温层减震效应研究

俞兆云

中国石油运输有限公司青海分公司

摘要：作为存储超低温介质的特种设备，LNG运输储罐在内、外罐之间填充了膨胀珍珠岩作为保温层。在现有的LNG运输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运输储罐的地震响应和保温层的减震效应进行了分析。综上所述：在进行LNG运输储罐的抗震设计时，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运输储罐； 保温层; 减震

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入到了黄金期。中国在全国各地大范围建设LNG接收站，而全容式LNG运输储罐的应用最广，但大型全容式LNG运输储罐的结构形式与一般运输储罐相比显著不同，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、外罐之间的环形空间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运输储罐的安全等级等同于核电设施，因此，进行LNG运输储罐的地震响应研究十分必要。目前，在LNG运输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运输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运输储罐。此外，在LNG运输储罐的爆炸分析中，内、外罐壁之间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运输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运输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。本文以满液位运输储罐为分析对象，更为深入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运输储罐的地震响应进行补充计算，分析了LNG运输储罐在地震荷载下的动力响应，研究了保温层对LNG运输储罐的减震效应。

1 试验设计

试验根据实际条件选择合适的材料，即模型运输储罐采用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、外罐壁之间。按照前述给出的长度相似比计算出的内、外罐间距为37 mm，而位移传感器和磁性表座在该间距下不能被安置，故需将内、外罐的间距人为扩大，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、外罐间距为0.16 m。间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、外罐间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，最终设定内罐壁的厚度为0.001 m，外罐壁的厚度为0.03 m。时间相似比为St=tp/tm，对于运输储罐来说，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，若按时间相似比对地震动进行压缩则无法满足振动台的输入条件，故本试验不按照时间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9 Hz。

2 试验结果分析

选取El Centro地震动进行振动台试验，地震动加速度峰值分别为2，4，6和8 m/s2，由地震动的频谱分析得到其卓越频率为9 Hz，通过对试验模型进行正弦扫频得到运输储罐内罐和外罐的频率均在5 Hz之内，故可避免结构产生共振。

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%之间，外罐的减震率在10%-27%之间，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。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6 m/s

2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。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。

3 结 论

本文基于振动台试验和数值仿真两种方法对LNG运输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。故保温层对运输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运输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，运输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，且保温层对运输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运输储罐的抗震性能，但同时应注意到外罐地震响应的增大。

参考文献:

[1] 黄献智,杜书成.全球天然气和LNG供需贸易现状及展望[J].油气储运,2019,38(01):12-19.