大型LNG储罐减隔震技术现状及发展趋势

徐海军

摘 要：液化天然气（LNG）储罐是一种大容积圆柱形储罐，在地震活动下具有一定程度的弱点。LNG设施地震灾害能对周围居民造成灾难性后果，所以，在设计LNG设施的时候必须把地震危险限制到一种可接受的极低破坏可能。

关键词：LNG;大型储罐;减隔震

一、大型LNG储罐减隔震技术研究现状

当前各个地区对液化天然气应用量在持续增加，在未来发展中，LNG储罐必然会大型化进步。通常情况下，在建设应用特大型LNG储罐过程中需要较大的资金，占用较大的空间，并且有着较大的质量，对安全性要求也更高。仅仅一个单体LNG就需要耗费数十亿元人民币进行建设，其比一般的石化储罐有着更强的战略意义，如果发生地震灾害造成储罐泄露，非常容易出现安全问题，可能会由于泄露天然气发生火灾、爆炸等安全事故，还会对环境产生较大程度污染。一个16×l04m³容量的液化天然气储罐一旦爆炸会产生相当于广岛原子弹能量的70倍左右的能量，二减震隔震技术是当前特大型LNG储罐结构设计的重点和难点。

当前工业与民用领域越来越广泛地应用液化天然气，可见LNG储存安全性也成为了当前重点研究的问题之一。LNG有着较强挥发性，容易爆炸、易燃，所以在建设储罐过程中对其安全等级有着严格要求。同时，地震这种自然灾害有着强大的破坏性以及极大的偶然性，一旦地震很可能导致罐体发生破裂泄露大量超低温液化天然气，为此，加强储罐在地震作用下受力情况研究以及抗震能力提升是需要重点关注及研究的内容。

复杂流体结构耦合问题是研究LNG储罐抗震性能的核心。很多学者已经开始研究储罐与液体间相互作用力学原理，早在1957年，Housner进行了刚性储罐地震分析，将储层分子假设为理想液体，那么罐壁主要受到三部分压力，分别为流体静压、对流压力以及脉压。W.A.Nash和Haroun等在1974年到1986年间就罐的动力特性进行了有限元分析，他们认为，可以将储液等效为附着于罐壁的附加质量。Veletsos在1974年用假定震动模式将地震激励下弹性储罐壁的冲击压力进行了简化计算。Veletsos和Yang在1976年利用壳单元理论将Veletsos模型的罐体结构进行优化。目前，1983年Haroun基于Housner模型建立的Haroun-Housner力学理论模型是当前大多数学者认同并且在实际中应用较多的理论，这种方法能够简化流固耦合问题，从而将计算额外固体震动质量工作量极大地减少。HamishDouglas等在外罐结构计算中用集中质量法进行五质点模型优化，建立了LNG储罐等效模型，该模型具有隔振结构。

当前研究层间隔振结构的成果仍然存在一定不足，很多研究理论结果都没有工程实践作为基础。周福霖院士以实际工程与科研项目为基础研究了隔震体系，认为将隔震层设置在低的位置也就越能够发挥良好的隔震效果。祁皑等以层间隔震结构的等效模型为基础对层间隔震结构动力特征影响因素进行了讨论分析。认为层间隔震结构减震效果很大程度上受到隔震层阻尼比的影响，并且减震效率和结构阻力比成正比。李向真等采用瞬态分析方法分析了已有的层间隔震结构，得到结果显示，上部结构减震效果受到层间隔震结构影响。

二、未来发展趋势

（一）LNG罐体抗震性能研究

在地震作用下，储罐性能十分复杂。通常情况下，研究者的研究重点主要放在了三个方面，其一是液体和罐壁之间的作用，其二是罐体复杂高度非线性提离，其三是晃动波高。在研究LNG储罐自身抗震性能上通过数值模拟与振动台实验来研究结构非线性地震响应，实现LGN罐体抗震性能分析，对罐体受力机理和损伤演化规律进行了深入研究，就罐体结构受到外罐-内罐-液体耦合作用所产生的规律性变化进行了研究，分析了地震烈度结构动力响应在空罐、半罐、满罐等工况下的差异，就LNG罐体抗震性能进行了全面揭示。

（二）消能减震与隔震技术研究

在工程结构领域，减震隔震技术已经有着较为广泛的研究，减震隔震技术类型可以根据原理、设计方法、耗能不见等进行划分。LNG罐体隔震减震技术的选择需要根据动力荷载作用下受力特征和抗震性能进行合理地选择，同时消能减震装置也要确定。在LNG罐体薄弱部位可以合理地应用现有能够满足隔震减震要求的隔震支座或者阻尼器，从而实现抗震性能增强、液体晃动波高减小的效果。如果建设过程中无法满足性能指标要求，可以将LNG罐体抗震隔震装置进行改进或者研发，然后利用试验达到减震装置合格的目的，最终将其应用于隔震减震中。

（三）适用于LNG罐体防震减灾技术的应用

加强传统储罐设计从而将地震所产生作用力抵消，达到提高储罐抗震性能的效果。在设计中进行减震操作可以利用阻尼比和附加弹性合理设置将向上部传播的加速度减少，进而减轻地震产生的损害。在大部分地震运动共振范围中大型LNG储罐频率范围大概都介于2～10Hz。在设计建造LNG储罐过程中，受到液化天然气危险性特点的影响要对储罐塑性变形进行严格地控制，避免超过变形标准要求，为此，需要谨慎地完成塑性設计。我国当前在设计建设特大型LNG储罐项目中通常会选择较为偏僻的区域，往往有着十分复杂的场地条件，很多地区是填海造地、软土地区，为了保证储罐基础稳定性需要采用合理的方法进行基础处理，从而保证基础稳定性，能够足够抵抗地震力。在LNG储罐建设中，其需要受到各种复杂的力的影响，为了保证LNG储罐抗震安全性，需要采取有效的隔震抗震措施，在储罐建设中，需要根据当地的实际情况进行隔震方案的设计，将土地利用面积提高，做好钢结构材料的焊接质量控制，并且尽量建设焊接接头，同时加强对建设费用的管控，尽量提升工程经济效益。

三、结语

LNG储罐遭受地震力的破坏会发生泄漏等问题，严重危害到周围环境以及居民的安全。如果地震固有周期和卓越周期有着较大的差距那么地震不会过多影响到储罐的稳定性，基本不会晃动到储罐内部液体的液面，能够保证罐体和固体相互之间作用，避免发生严重问题。通常情况下不用考虑这种情况产生的影响，该情况下基本不会破坏储罐。不过如果地震动卓越周期与储罐的固有周期十分接近那么会发生共振现象，共振一旦发生就会严重晃动罐体内的液体，液体的晃动对罐壁会产生强大的冲击力，导致罐壁应力急剧增加，出现严重的变形情况，甚至破坏罐体的整体性，发生泄漏问题，并且造成火灾、爆炸等严重事故，严重损害环境和经济。在未来发展中，应当加强对隔震抗震技术的研究，为大型储罐建设安全性提供保障。

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