1、中国寰球工程公司 CHINA HUANQIU CONTRACTING &ENGINEERING CORP. 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） 3
2、00 万吨/年 1200,000m 3 LNG 储罐 2015 唐山LNG 项目接收站 应急调 峰工程 1160,000m 3 LNG 储罐 2014 南通港呂四港区广汇能源LNG 分销 转运站 项目 250,000m 3 LNG 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 30,000 m 3 LEG 储罐 200
3、6 深圳大鹏LNG 接收站 项目 370 万吨/年 2004 广西钦州LPG 储运站 2x40,000 m 3 低温罐 2003 湛江米克化能液氨（LPG ）储 运站 2x30,000 m 3 低温罐 1999 张家港LPG 罐区 2x30,000 m 3 低温罐 1996 深圳华安LPG 储运站 2x80,000 m 3 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 6 9Ni%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65010 4 t/a 。 本
4、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 2010,102014,9 20万方LNG储罐设计和建造研发 部分设计验证：韩国
5、KOGAS 2013,9,6 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
6、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 84.2 m 高度 40.23 m 最 高 设计液 位 38.92 m 净容量 200,000
7、 m 3 LNG 数据 液体密 度 480 kg/m 3 最 低 设计温 度 -170 热角保 护 直径 86.07 m 高 度 （从底 板顶算 ） 5.0 m 操作条 件 最 低 设计压 力 -0.5 kPaG 最 高 设计压 力 29 kPaG 底部保 冷 厚度 0.717 m 外罐 大 泄 漏液位 37.92+0.717 m 基础 基础 类型 电 伴 热低承 台桩基 础 桩直径 1.4 m 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 EN 14620 Design and production of on-sit
8、e manufacturingof steel tank with vertical cylinder and flat base for liquid gass refrigeration storage underworkingtemperature0 -165 NFPA 59AProduction,storage andhandlingofliquefiednaturalgas EN 1473 Device and equipment ofliquefied naturalgas Design ofland- boundequipment API620-2013DesignandCons
9、tructionofLow-pressureStorage Tanks EN1991-4:2006Actionsonstructures.Silosandtanks EN 1992-1-1:2004 Design of concrete structures. General rules and rulesfor buildings EN 1998-4:2006 Design of structures for earthquake resistance. Silos, tanksandpipelines ACI318Codefor reinforcedconcretebuildings AC
10、I 376M-11 Code Requirements for Design and Construction of ConcreteStructuresfor theContainmentofRefrigeratedLiquefiedGases三、规范标准 国内标准 GB/T 20368-2012 液化天然气(LNG) 生产 、 储存和装运- NFPA59A GB/T 26978-2011 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 GB5
11、1156-2015 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 s T T T T T T T s s T T T T T T 0 . 6 04 . 0 04 . 0 ) / ( 04 . 0 04 . 0 ) 1 ( 1 1 ) ( 2 2 1 1 2 max max 1 max + = 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: ) ( ) ( max T A T S a = 地表水平向地震影响系数 超越概率 （50年） A max (gal) T 1 (sec)
12、 T 2 (sec) max max (g) 10%(OBE) 145 0.20 0.80 2.5 1.2 0.370 2%(SSE) 230 0.20 1.10 2.6 1.2 0.610 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GB 50011-2010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GB 50011-2010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 类建筑场地，设计特征周
13、期0.45s，其水平地震反应谱为: 地表水平向地震影响系数 + = 10 5 ) 5 ( 2 . 0 5 ) / ( 1 . 0 1 . 0 0 1 . 0 / ) 45 . 0 ( 45 . 0 max 1 2 max 2 max 2 max 2 T T T T T T T T T T T T T g g g g g g ) 6 3 . 0 /( ) 05 . 0 ( 9 . 0 + + = ) 32 4 /( ) 05 . 0 ( 02 . 0 1 + + = ) 6 . 1 08 . 0 /( ) 05 . 0 ( 0 . 1 2 + + = 超越概率 （50年） PGA (g) max
14、 (g) T 1 (s) T g (s) OBE 0.1 0.24 0.1 0.45 SSE 0.225 0.50 0.1 0.50四、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： ) 6 3 . 0 /( ) 05 . 0 ( 9 . 0 + + = ) 32 4 /( ) 05 . 0 ( 02 . 0 1 + + = )
15、6 . 1 08 . 0 /( ) 05 . 0 ( 0 . 1 2 + + = + = 0 . 10 5 ) 5 ( 2 . 0 ( 5 ) / ( 04 . 0 ) 04 . 0 04 . 0 ) 1 ( 1 ( 04 . 0 1 ) ( 2 2 1 2 max 2 2 2 max 2 2 1 max 2 1 1 max 2 T T T T T T T T T T T T T T T T T T ) 6 3 . 0 /( ) 05 . 0 ( 2 . 1 + + = ) 32 14 /( ) 05 . 0 ( 02 . 0 1 + + = ) 6 . 1 08 . 0 /( ) 05 .
16、0 ( 1 2 + + =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。
17、 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
18、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
19、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
20、， 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 ， 计算结果跟质量和刚度相关 ， 而 保冷层等辅助材料的质量很小 ， 刚度更软 ， 对 整个结构的动力反应影响很小 ， 因此 ， 不把这 些材料建立几何单元到模型中 ， 只是把它们的 质量附加到外罐模型中 ， 考虑质量影响而忽略 其刚度的影响 。 这样 ， 空罐时的计算模型类似 于 静 力计算模型；满罐时在地震作用下 ， 液体 的动压力作用是通
21、过内罐来传递到外罐的 ， 故 还要建立内罐单元五、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 把静力等效作用施加等效荷载到三维有限元模型 ， 即把模态分析得到的结果进 行反应谱分析，得到LNG储罐各部分的等效荷载作用，然后把这个等效荷载施加 到三维有限元模型上。具体描述如下图所示： 液体冲击和外罐等效地震作用 液体晃动等效地震作用五、混凝土外罐结构设计 外罐结构计算模型 热力学计算模型 在进行混凝土外罐的应力分析时要考虑正常操作状态 、 内罐泄露状态和火灾 状态下的温度效应 。 要求得这个温度效应 ， 首先要进行热力学稳态分析 ， 求 得罐体内外表面的温度分布 ， 然后把温度作为荷
22、载条件来进行静力计算求得 罐体的内力效应 。 因此 ， 首先要建立热力学分析有限元计算模型 。 由于计算 对象是混凝土外罐 ， 所以这个热力学计算模型只要包含混凝土外罐即可 ， 中 间保冷层和内罐罐壁都不必建立单元到计算模型中 ， 但必须根据等效的原则 把内部热力边界条件从内罐等效到混凝土外罐的内表面上 ， 以考虑绝热层的 特性 。 在进行热力学分析时外罐的内表面环境温度取常数 、 对流系数取等效 对流系数；外表面环境特性要考虑太阳辐射传热 ， 环境温度根据冬夏季节的 不同取为相应的常数 。五、混凝土外罐结构设计 外罐结构计算模型 热力学计算模型 根据分析方法的不同 ， 热力学计算模型分为3D
23、 壳单元模型和2D 轴对称单元模 型 。3D 模型主要用于计算操作状态的温度场分布 、 内罐严重泄漏或火灾时的 温度场分布 ， 为3D 应力计算模型计算温度作用作准备；2D 模型用于计算内罐 严重泄漏时的温度场分布 ， 为2D 应力计算模型作非线性计算准备温度荷载 。 混凝土外罐的传热计算模型边界划分 混凝土外罐的传热计算模型边界条件五、混凝土外罐结构设计 外罐结构计算模型 热力学计算模型 罐壁火灾场景 罐顶火灾场景五、混凝土外罐结构设计 外罐结构计算模型 爆炸作用计算模型 混凝土外罐设计时应考虑爆炸荷载对结构的冲击作用 。 爆炸发生时产生的爆 炸波是瞬间形成的高温高压气流 ， 它从爆心以超音
24、速向四面八方传播 ， 作用 时间只有几秒钟 ， 当它到达混凝土外罐时 ， 能使空气压强突然升高形成超压 ， 还迫使空气迅速流动形成动压 。 在不同的时刻 ， 爆炸荷载沿混凝土罐顶和罐 壁传播时的反射压力是不同的 ， 是一种动态变化的过程 。 由于计算对象是混 凝土外罐 ， 所以爆炸计算模型只要包含混凝土外罐即可 ， 中间保冷层和内罐 罐壁都不必建立单元到计算模型中 ， 只需要把它们的质量附加到外罐模型中 ， 而罐内液体晃动部分和冲击部分的质量和刚度则根据相关规范通过计算确定 等效动力作用用质点和弹簧单元来进行模拟 。五、混凝土外罐结构设计 外罐结构计算模型 爆炸作用计算模型 爆炸波撞击到储罐的
25、表面时 ， 它会被反射 ， 这个反射压力可通过入射压力 P 0 乘以反射系数C r 得到 。 反射系数C r 与峰值压力 、 冲击波与作用面的入射 角和爆炸波的类型相关 。 根据“Design of Blast Resistant Buildings in Petrochemical Facilitie s”, ASCE, 沿外罐分布的反射系数分布如 下图所示：五、混凝土外罐结构设计 外罐结构计算模型 爆炸作用计算模型五、混凝土外罐结构设计 外罐结构计算模型 罐顶钢网壳计算模型 大跨度的钢拱结构既是混凝土罐顶施工的模板，同时也是施工中的主要受力 结构，由于跨度大，钢拱结构易在施工荷载的作用下发
26、生失稳，因此，钢拱 结构是LNG储罐施工过程中的关键节点，也是难点，它关系到混凝土罐顶的施 工进度和施工安全。LNG 储罐的罐顶钢网壳采用肋环型单层网壳的结构型式， 随着LNG 储罐的大型化，网壳结构跨度变大，罐顶混凝土壳变厚、钢网壳的 顶部密封钢板变厚。对各个施工阶段和各种施工方案分别采用不同的加载方 法和结构体系，建立有限元模型，考虑罐顶钢结构由于初始曲面形状制造、 安装偏差等引起的结构初始缺陷影响，对储罐罐顶施工用钢拱结构进行整体 稳定分析和施工过程分析。五、混凝土外罐结构设计 外罐结构计算模型 罐顶钢网壳计算模型 一阶屈曲模态六、9Ni%钢内罐设计 内罐设计要点 内罐设计包括 内罐结构
27、设计和 储罐保冷设计。 内罐结构设计主要包括通过确定的外形尺寸以及静力和动力（地震力）计 算，确定罐板厚度、边缘板、加强圈和罐底板的尺寸。 内罐结构设计要全面分析储罐制造安装、压力试验、运行操作的全过程 内所面临的工况，包括操作和压力试验工况下的液体载荷、绝热材料施加的 外压载荷、OBE 和SSE地震工况下的动载荷、超低温、大温差情况下的温差应 力等，内罐设计及结构须保证内罐在多种苛刻工况下的安全和稳定性。同时， 内罐需保证存储能力，并保证在地震工况下，储液晃动不能溢出。 保冷设计主要包括通过BOG 计算结果、环系空间和保冷特性及要求，确定 罐壁保冷材料和厚度，以及罐底保冷材料和布置等。六、9
28、Ni%钢内罐设计 内罐材料的选择 内罐盛装LNG介质，与其接触的材料在深冷温度时应有足够强度和韧性， 因此内罐材料选用9 Ni钢。 所有储罐内件采用9%Ni 钢或奥氏体不锈钢304/304L 。 吊顶板采用铝合金 ， 材料牌号为5083-0 。 外罐钢衬 层 、 底和拱顶 采 用16MnDR ， 钢板及其焊 接 接头要求在 40 时 夏比 （V形缺口 ） 冲击功不低于47J。 储罐绝热材料的选择 罐底绝热：承受较大载荷的环梁部分采用膨胀珍珠岩混凝土砌块，罐底中 心部位采用泡沫玻璃为主的绝热材料。 内 、 外罐间环形空间采用弹性毡加膨胀珍珠岩 。 吊顶的绝热材料采用玻璃纤维毡 。六、9Ni%钢内
29、罐设计 内罐结构设计 通过对内罐静力和动力计算，确定了LNG 储罐内罐的基本结构，见下图： LNG 储罐的大型化必然导致设备直径加大，用于承装低温介质的内罐， 其9%Ni 钢板壁厚将增加，板幅也略有不同。六、9Ni%钢内罐设计 内罐结构设计 通过对LNG 储罐内罐静力及地震计算 ， 确定内罐各带壁板的厚度及板幅 。 江苏LNG 项目一期工程16 万m 3 LNG 储罐9%Ni 钢板最大壁厚为27.5mm ， 板幅 为2.96m ， 二期工程20 万m 3 LNG 储罐拟用9%Ni 钢板最大壁厚达到35.5mm ， 最大板幅为3.08m 。 在确定内罐壁板厚度和板幅后，通过外压屈服计算，重新校核
30、选择的罐 壁板厚度是否合适，并确定加强圈的设计。外压屈服计算模型如图所示：六、9Ni%钢内罐设计 内罐保冷设计 根据BOG计算结果，以及内外罐壁环系空间大小和保冷要求，确定内罐 保冷结构，见下图所示： 20 万m 3 LNG储罐的BOG蒸发率要求为0.05%, 内外罐环隙空间1.1m 。 罐壁弹性毡厚度390mm 。六、9Ni%钢内罐设计 储罐吊顶 LNG 储罐采用内罐吊顶型式用于支撑罐顶保冷材料，吊顶悬吊于外罐拱 形梁上。传统的吊顶一般采用铝板加强结构，吊顶本身载荷大、现场施工作 业量大。20 万m 3 LNG 储罐直径达84.2 米, 大跨度的拱顶结构，要求尽量减小作 用其上的垂直载荷。为
31、此，20 万m 3 LNG 储罐采用了 框架梁+ 波纹板的组合方 式，在实现传统吊顶所有功能的前提下，大幅降低了吊顶的自重 ，节省了材 料和费用。目前这一技术已获得了国家专利。六、9Ni%钢内罐设计 带柔性膨胀节的锚带 锚带生根在混凝土承台里，穿过多层保冷结构后到达內罐壁，即锚带连接于 内外罐壁。混凝土承台基本不收缩，而內罐壁等在最苛刻的情况下会有70 80mm 的径向收缩量，这种水平侧移会在锚带与二次底板连接处产生巨大的 温差应力，为此还需要在此处设置 跑道型柔性膨胀节，以抵消变形协调造成 的破坏作用。这种非标膨胀节之前在国内并无使用经验, 本项目属首次应用。结束语 LNG储罐的设计比较复杂，需要考虑的因素比较多。 由于我国LNG储罐的设计和建造起步相对较晚，相应的 规范标准还很不健全，完全不成体系，由此也给LNG工程 项目的建设带来了诸多的不便和困难。但有众多业界的仁 人志士，不断求索，我相信很快完善和解决的。 以上是寰球公司在设计国内首个20万方LNG储罐的一些 体会和心得，不足和错误之处还请批评指正！谢 谢 !
