大型液化天然气储罐隔震减震措施分析.pdf

2 0 1 4年第 3 3 卷第 7期 化 工 进 展 C HE M I CAL I NDUS T RY AND E NGI NE E RI NG P ROGR ES S 1 7 1 3 大型液化天然气储罐隔震减震措施分析 屈长龙，张超 ，陈团海 中海 石油气 电集 团有限 责任 公司，北 京 1 0 0 0 2 7 摘要为 了 研究更合适的大型液化天然气 L N G 储罐隔震减震方法，本文分析了现有大型建构筑的减震隔震 措施，结合 L NG储罐 隔震工程设计的需求，基于物理隔震方法、隔震理论，总结了不同措施下的设计计算方法； 分析了L N G储罐结构体系的组成及其特点， 提 出了用于 L N G储罐反应谱分析的标准复合模型 分析结果表明 各种物理隔震方法均可以在 L NG储罐中得到应用，设置隔震装置后储罐固有频率的改变情况是影响隔震效果的 关键，深入的隔震理论研究是 L N G储罐抗震技术发展的基础条件，基于 L N G储罐反应谱分析的标准复合模型 为储罐抗震设计提供 了一套简单有效的工程设计方法。 关键词液化天然气储罐；隔震减震；抗震机J E；设计反应谱 中图分类号T E 8 2 文献标志码A 文章编号1 0 0 06 6 1 3 2 0 1 40 71 7 1 3 0 5 D oI 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 0 6 6 1 3 ． 2 0 1 4 ． 0 7 ． 0 1 0 Ana l y s i s o f m e a s ur e s f o r s e i s mi c i s o l a t i o n a nd s h o c k a bs o r pt i o n fo r LNG s t o r a g e t a nk Q C h a n g l o n g，Z H A NG C h a o ，C HE N T u a n h a i C h i n a Na t i o n a l Off s h o r e Oi l G a s P o we r G r o u p ，B e i j i n g 1 0 0 0 2 7 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e s e i s mi c i s o l a t i o n me a s u r e s i n t h e e x i s t i n g l a r g e b u i l d i n g c o n s t r u c t i o n we r e s t u d i e d i n o r d e r t o s e e k f o r t h e a p p r o p ria t e me t h o d s a b o u t s h o c k a b s o r p t i o n a n d i s o l a t i o n o f l a r g e L NG s t o r a g e t a n k ．Ac c o r d i ng t o t h e de ma n d o f e n g i n e e r i n g i s o l a t i o n de s i g n o f LNG s t o r a g e t a nk， t he t he or y o f p h y s i c a l i s o l a t i o n a n d t h e me t h o d o f i s o l a t i o n ， t h e c a l c u l a t i o n o f a n a l y t i c a l me t h o d u n d e r d i ffe r e n t c o n d i t i o n s we r e s u mma r i z e d ．Co n s i d e r i n g t h e s t r u c t u r a l f e a t u r e s o f L NG s t o r a g e t a n k，t h e s t a n d a r d c o mp os i t e mo d e l b a s e d o n r e s p o ns e s p e c t r u m a na l ys i s o f LN G s t o r a g e t a n k wa s p r o p os e d．Va rio us p h y s i c a l i s o l a t i o n me t h o d s c o u l d b e u s e d i n L NG s t o r a g e t a n k t e c h n o l o g y ． Th e f r e q u e n c y c h a n g e o f t a n k e q u i p p e d wi t h s e i s mi c i s o l a t i o n me a s u r e s wa s t h e i mp o r t a n t f a c t o r o f i s o l a t i o n e ffe c t ． F u rt h e r t h e o r e t i c a l r e s e a r c h i s t h e ba s i s for d e v e l o pi n g LNG s e i s mi c t e c h n ol og y ． The s t a n d a r d c o mp os i t e mod e l o f s e i s mi c a n a l y s i s wo u l d p r o v i d e a s e t o f s i mp l e a n d e ffe c t i v e d e s i g n me t h o d for s e i s mi c d e s i g n o f s t o r a g e t a n k ． Ke y wor d s LNG s t o r a g e t a nk；s e i s mi c i s ol a t i o n a n d s ho c k a bs o rp t i o n；a s e i s mi c m e c h a ni s m ；r e s p o ns e s p e c t r um 2 0世纪 7 0年代以来，世界液化天然气 L NG 产量和贸易量迅速增加，而随着能源结构的改变 以 及环境保护 的需要，国内液化天然气 的用量也迅速 增加，L NG相关的产业 、设备设施和技术都开始快 速发展 。 存储规模 1 O万立方米以上的大型 以及超大型 的液化天然气储罐是 L NG 产业链的重要设施，在 液化厂、接收终端都起着重要的作用 。实现液化天 然气 温度- 1 6 2 C的大规模储存对于 L NG生产 、 利用 以及能源安全都有积极意义 。 国内的大型液化天然气项 目建设越来越多，厂 收稿 日期2 0 1 3 1 2 ． 0 2 修改稿日期2 0 1 3 ． 1 2 ． 3 1 。 第一作者屈长龙 1 9 7 O 一 ，男，高级工程师，主要从事大型液化 天然气存储技术方向研究。E ma i l q u c h l c n o o c ．c o m．c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 化 工 进 展 2 0 1 4年第 3 3卷 址 的地 质 和地 震 条件 变得 越 来越 复杂 ，如唐 山 L NG、天津浮式 L NG项 目地震参数极高，而 L NG 储罐 的安全要求等同于核电设施【 1 ] ，这就需要使用 有效的隔震措施来进行大型 L NG储罐的设计建造。 在民用建筑结构中，隔震、减振消能和振动控 制研究 已经比较成熟和普遍 ， 其中使用的隔震标准、 优化设计方法 、结构的细部构造 、隔震产 品设备都 可以使用在大型 L NG 储罐 中，可以为在地震高烈 度区建设 L NG项 目提供更有效解决方案 。 国内的大型 L NG 储罐均为全容储罐 ，其 内罐 由 9 ％Ni 钢焊接而成，外罐由预应力混凝土罐壁、 混凝土拱顶、承台组成 。混凝土外罐 内壁有一层碳 钢衬里，起气密作用。内外罐之 间环形空间填充绝 热保冷材料。 L NG储罐设计的关键是储罐的结构设计， 而地 震工况常常为储罐结构设计控制工况 。为 了降低结 构在地震作用下的响应 ，目前设计中大多采用传统 的物理隔震方法进行抗震 ，并没有分析储罐结构本 身的特点，难 以达到较好的隔震效果。为了更为精 确地掌握储罐抗震设计的根本，本文在了解地震理 论的基础上，结合 L NG储罐本身的结构体系特点， 开创性地提 出用于 L NG 储罐反应谱分析的标准复 合模 型，该模型包含主动隔震和被动隔震的理念 ， 能够为储罐的抗震设计提供一套切实可行的工程设 计 方法 。 l 物理 隔震抗震方法 一 般 建构筑物 的隔震抗震方法 有基础隔震技 术、减震消能技术、主动控制等l 2 ] 。综合来讲，现 有 的抗震技术均是从基础、结构本身、外部干涉三 方面来降低地震对构筑物的影响。以此为思路，大 型液化 天然气储罐也可 以从这三方面进行 隔震 、 减震。 1 ． 1 基础 隔震措施 天然地基土层在 一定条件 下具有 隔震减震性 能 J ，从理论上讲，主要是地震波在土层中传播的 衰减，许多文献认为砂垫层、砂砾石垫层、橡胶垫 层等可以作为地基隔震减震材料_ 4 】 。但是，这种加 垫层的地基隔震方法不适合于桩基础构筑物使用， 尤其对于带有桩基础的大型 L NG 储罐。地震所产 生的水平力需要依靠地表 以下 4 ～6 m 的土层对桩 挤压来承担，较弱的垫层会大大降低水平承载力， 相较于垫层带来的隔震效应，水平承载力对于结构 安全 更 为重要 。 另外一种限制地震能量进入上部结构的基础隔 震方法是采用人工制造的机械构件来实现的，如钢 板橡胶支座 、复位弹簧和平面滑板并联机构 、摩擦 摆体系等，这类的机械构件方案很多，其中以钢板 橡胶支座应用最为广泛。这种结构 目前也应用于大 型 L NG 储罐 中，尤其在国内的地震多发地区，采 用橡胶支座 已经成为储罐设计 的首选方案 。保证结 构本体安全是采用橡胶支座的重要原因，同时橡胶 支座还可 以降低上部结构的工程造价。橡胶支座对 于结构隔震也有很多不足之处，主要是对竖向振动 一 般没有减振效果，对长周期水平振动存在共振危 险性 ，前者主要影响上部结构，后者则影响到隔震 支座本身的安全。同时 ，由于橡胶支座没有系列化 和标准化 ， 给大范围推广应用带来了很多不确定性 。 1 ． 2 结构减震消能 减震消能一般是在结构物中设置消能装置 ，通 过这些装置和元件吸收、耗散地震能力，达到主体 结构防震的要求。 目前可 以选用的设备主要包括摩 擦阻尼器 、钢制阻尼器、调谐阻尼器等，从本质上 说这些设备的原理就是增加结构阻尼 、改变结构刚 度以达到防震的目的。这些构件 的设置要具备一个 基本条件，就是必须为结构非承重构件 ，所 以这种 防震方式主要应用于混凝土框架、钢结构、高层及 超高层结构、隔震建筑等 。 在大型液化天然气储罐上很难找到这种结构非 承重构件作为减震效能构件，但可以考虑如何增加 结构阻尼达到减震消能的 目的。在环形空间安装阻 尼器、内罐中增加支撑 以消减罐内 L NG 晃动等 ， 均可以达到减震消能的 目的。但限于液化天然气储 罐低温 以及全容储罐特殊 内罐材料 的特点 ，这些方 法暂时未在大型 L NG储罐中找到合适的应用方式。 安装减震消能装置，不但可 以提高防震水平， 还可 以优化设计 ，有效降低工程造价，如有文献表 明， 环形空间阻尼器可以降低晃动波高 5 0 ％左右 J ， 这就可以降低储罐高度 ，节省工程投资，也使结构 的抗震性能更好。 1 ． 3主动控制技术 主动控制技术是近年来计算机模拟技术发展进 步的产物 ，随着研究的不断深入 ，现有的主动控制 算法变得越来越 ‘ 复杂 ” ， 控制技术也显得越来越“ 智 能” ，但真正的主动控制技术在工程 中的应用并不 多。究其原因，主要是其系统复杂 ，可靠性无法确 定 ，并且 需要输入 巨大的控 制能量才能抵抗地震 作 用 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 7 期 于洲等动态旋风分离器数值模拟及实验研究 1 7 1 5 对于大型 L NG 储罐来说 ，这一技术同样难 以 工程应用。 据初步估算， 对于一座 1 ． 6 1 0 的 L NG 全 容储 罐 ， 一次 7 度 设 防地 震 的震 动 将 消 耗 2 ． 0 1 0 m J 能量，完全依靠主动控制来防震是很困难 的，但可 以将这一技术应用在储罐 的重要结构和设 备上，如罐顶钢结构、吊机等。 2 隔震理论 除了物理隔震方法外，还可 以寻求更准确的隔 震理论， 目前主要有两种方法主动隔震和被动隔 震 。与物理隔震的思路相似 ，主动隔震理论是指减 少设备震动施加给基础 的力幅；被动隔震理论是指 降低设备在基础运动下所产生的位移幅值 。下文用 一 个带阻尼的单 自由度系统分析主动和被动隔震系 统 ，分析两个原理在 L NG储罐中的应用。 2 ． 1 主 动隔震 如图 1所示为主动隔震示意图，在图 1 a 中质 量为 m的物体， 受到一个交变力 P f 的作用， 设 尸 0 为谐和形式，可表示如式 1 。 P f Hs i n0 9 t 1 若物体直接作用在基础上 ，则基础受到的交变 荷载 的力幅为 Ⅳ。 若在物体与基础之间增加 隔震装置 ，如图 l b 所示， 设隔震装置的弹性系数为 k ， 阻尼为 C ， 则“ 物 体． 隔震装置一 基础 ”形成一个带阻尼的单 自由度强 迫振动系统，可用式 2 表示。 ， k xP f 2 式中， 为物体运动位移。 求解 上式 二阶微 分 方程 ，位移 可表 示如 式 3 。 X B o fls i n c o t F 、 3 式中， 0为力幅静变形 ， 振幅放大因子， 这两个参数的表达式如式 4 、式 5 。 B0 H 4 a b 图 1 主动隔震示意 图 1 5 式中， 为扰频 与固有频率 P之 比； 为阻 尼 比，可表示为式 6 。 C 6 根据位移表达式可计算出基础承受弹性力 和阻尼力 ，分别如式 7 、式 8 。 k B o fls i n c o t s 7 c c o s 一 8 可知 和 的相位差为n ／ 2 ，则这两者的合力 F如式 9 。 Fk B o fls i n c o t s c c o s s r d s i n c o t 一 ￡口 9 式中，力幅 ／ 4 d 和相位角 口 式 1 0 。 l H d , ／ k S o P 哦 { e p 1 0 【 t a n a2 4 r 基础受到的力幅 风 和交变荷载的力幅 之 比 为传递率刀 ，可表示为式 1 1 。 ／ 丽 1 1 传递率 7 7 即表示 了主动 隔震 的效果 ，只有 1 才能起到隔震效果 ，且卵 越小，隔震效果越好 ，故 在制定隔震措施或者设置隔震装置时，应该尽量 降 低荷载传递率7 7 。 2 ． 2 被动隔震 如图 2所示为被动隔震示意图，由图可知被动 隔震在该振系中，基础 以位移 运动，振体 m 的绝对坐标为 。 其中 与 同向， x - y 与 戈 分别为振体 m相对于基础 的位移和速度 ， 则 由牛 顿定律可知，振体的绝对运动微分方程如式 1 2 。 图 2 被 动隔震示 意图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 1 6 化 工 进 展 2 0 1 4年第 3 3 卷 ， 一 k x 一c i 一 1 2 可化为式 1 3 。 ， k y 1 3 记P t k y c p ，则可知振体的扰力 P ， 由基础 运动的位移和速度产生。 设基础运动为谐和形式，即设 r b s i n t 1 4 将 ， 的表达式代入 1 4 ，可振体 的稳态响应 f 如式 1 5 。 Xb fl d s i n t 一 1 5 为振幅放大因子，可表示为式 1 6 。 在被动隔震中，振幅放大因子肠即为隔震系数 7 7 ，如式 1 7 。 叩 4 1 2 ／ √ 1 一 2 1 7 可知被动 隔震的隔震系数表达式与主动隔震一 致，也只有当r t 1 才能起到隔震效果。 2 ． 3 储罐隔震原理 2 _ 3 ． 1 未设置 隔震装置 时地震响应计算 根据储罐抗震设计理论，对于未设置 隔震装置 的储罐 ，可 以将其结构简化为多质点振系，每个质 点对应不同的等效刚度 k和等效阻尼 C，质点的选 取可以根据不同构件的设计需要而定。结合上两节 的论 述 ，不 同质 点 的振 幅 放 大 因 子 可 表 示 为 式 1 8 。 4 1 2 ／ √ 1 一 r 2 2 1 8 随后可采用均方根法计算储罐地震响应 的最大 值 ，包括最大基底剪力和倾覆力矩 。 2 - 3 ． 2 设置隔震装置后地震响应计算 在储罐承台与基础之间设置隔震装置后，其振 动系统增加隔震装置 的等效刚度 和等效阻尼 C d 。 隔震装置振系分别与其它质点形成串联系统，此时 隔震装置振幅放大因子局 可表示为式 1 9 ，计算 方法与式 1 相同。 4 1 2 d Y d ／ √ 1 一 Y d 2 1 9 2 ． 4隔震效果分析 通过 以上对设置隔震装置前后储罐最大基底剪 力和倾覆力矩的计算，可计算出设置隔震装置后最 大基底剪力放大系数 和倾覆力矩放大系数 为 式 2 0 、式 2 1 。 oQ m 一 d ／ Q 2 0 一 d／ M m 2 1 可知7 7 Q和 均为隔震装置对应的振幅放大 因 子屈，只有当局√ 2时，fl d l 。 根据 定义可知， 为地震频率与设置隔震装 置后储罐的固有频率之 比， 由于地震频率没法改变， 因此要增强隔震效果 ，只能通过改变隔震装置的特 征降低储罐振系固有频率。 3 设计防震 无论是物理隔震方法，还是各种隔震理论 ，最 终都要转化到设计应用 中，为工程建设服务。 3 ． 1 物理隔震计算 目前常用储罐的物理隔震方法就是加装橡胶支 座，隔震支座对结构设计的影响主要体现在对刚度 以及阻尼 比的修正，其设计原理为①减小侧 向刚 度，使基础约束放松，使结构的 自振周期延长而减 少地震响应；②橡胶支座的阻尼 比增大，降低反应 谱的峰值 。 橡胶支座的刚度一般可以通过式 2 2 计算 。 KBE A／ 3 h 2 2 式 中，E为橡胶弹性模量；A为橡胶支座面积； h为橡胶支座厚度。 有效阻尼比也可按照式 2 3 计算。 W e ／ 4 n 2 3 式 中，磊为有效阻尼 比；We 为往复一周消耗 的 能量； 为总应变能。 刚度和有效阻尼 比还有很多公式可 以确定，对 于大型 L NG 储罐来说，橡胶支座一般是针对项 目 要求定制的，试件实验往往是最有效直接的取得刚 度和阻尼的办法。 橡胶支座的这种计算理论和方法也可 以应用在 其他物理隔震方法中，环形空间安装阻尼器，也可 以从刚度和阻尼两方面来考虑隔震作用。 3 ． 2 理论隔震在设计 中的应用 理论隔震方法主要通过各种简化力学模型和反 应谱来实现，用反应谱理论进行 L NG 储罐设计 已 经被广泛认可 。整个储罐的力学模型可以概括为 以 下形式，包括 内罐、外罐以及土壤的不同作用，文 献[ 3 ] 、文献[ 8 ] ～[ 1 0 ] 等有对这些模型和反应谱进行 了深入的论述 ，对模型有不 同程度的简化 。总之， 对于工程设计来讲 ，简单有效是最好的选择 。图 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 7期 于洲等 动态旋风分离器数值模拟及实验研 究 1 7 1 7 外罐 内罐 图3 L NG储罐抗震设计的标准复合模型 所示是 L NG 储罐抗震设计的标准复合模型，这个 模型包括主动隔震和被动隔震的理念 。 在上述复合模型下确定了阻尼和响应系数即可 完成 L NG储罐隔震设计 。 4 结 论 1 理论上， 现有的储罐物理隔震方法都可 以 应用在大型 L NG 储罐上，但 目前只有橡胶隔震支 座有过应用 ，其余隔震方法尚需开发和研究，本文 给 出了开发 的基本思路和理论支持。 2 大型 L NG储罐的隔震理论和方法与其他 建构筑物并无不 同，对隔震理论进行深入研究可 以 提高 L NG 储罐的理论分析水平，但过于复杂的隔 震理论不适合于储罐工程设计 。 3 简单有效的工程设计方法是所有研究的 最终 目的，建立在标准复合模型上的反应谱分析都 能得到准确的结果，可以在此基础上做进一步的优 化 以进行不 同构件的设计。 4 抗震隔震是一个系统工程，需要物理隔震 方法和隔震理论共同发展，才能促进储罐工程技术 进步，片面的追求某一方面是不合适的。 参考文献 [ 1 ] 张瑞甫，翁大根 ，倪伟波，等．特大型 L NG储罐抗 减震研究 发展综述 ．结构工程师，2 0 1 0 ，2 6 5 1 6 4 1 7 1 ． [ 2 ] 周锡元，阎维明，杨润林． 建筑结构的隔震、减振和振动控制 ． 建筑结构学报 ，2 0 0 2 ，2 3 2 2 - 1 2 ． [ 3 ] 毛尚礼，余湘娟，张富有，等． 地基隔震减震机理研究 ． 华南 地震，2 0 1 0 ，3 0 3 7 5 ． 8 0 ． [ 4 ] 范留明，李宁．软弱夹层的透射模型及其隔震特性研究f J 1 ． 岩石 力学与工程学报，2 0 0 5 ，2 4 1 4 2 4 6 5 ． 2 4 6 1 ． [ 5 】 窦远明，刘晓立，赵少伟 ， 等． 砂垫层隔震性能的试验研究[ J ] ．建 筑结构学报，2 0 0 5 ，2 6 1 1 2 5 1 2 8 ． [ 6 ] 岁小溪． 橡胶颗粒砂混合物的隔震性能研究[ D] ．长沙湖南大学． 2 0 0 9 ． [ 7 ] 孙建刚，郑建华，崔利富，等． L NG 储罐基础隔震反应谱[ J ] ．哈 尔滨工业大学学报，2 0 1 3 ，4 5 4 1 0 5 1 0 9 ． [ 8 ] 毛雪东，张杰，周凯崧，等．基于实体模型的低温液体储罐有限 元结构分析『 J 1 ． 化工学报，2 0 1 0 ，6 1 5 1 1 0 7 ． 1 1 1 1 ． [ 9 ] B e ma d i C， Gir a u lt V， Ma d a y Y Mi x e d s p e c t r a l e l e m e n t a p p r o x i ma t i o n o f t h e Na v i e r - S t o k e s e q u a t i o n s i n the s t r e a m f u n c t i o n a n d v o r t i c i t y f o r mu l a t i o n [ J ] ． I MA J o u r n a l of N u me r i c a l A n a ly s i s ， 1 9 9 2， 1 2 5 6 5 ． 6 0 8 ． [ 1 0 ] G u o B Y S p e c t r a l Me t h o d s a n d T h e ir Ap p l i c a t i o n s [ M] ． S i n g a p o r e Wo r l d S c i e n t i tic ， 】 9 9 8 ． 、 、 ， 、 、 - 、 莎、 ， 、 、 - 上接第 l 7 0 1页 d r o p， b o i l i n g h e a t t r a ns f e r ， a n d c r i t i c a l h e a t fl u x t o wa t e r i n a s ma l l- d i a me t e r h o r i z o n t a l t u b e [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f M u l t ip h a s e ，z D w，2 0 0 2 ， 2 8 6 9 2 7 9 4 1 ． 『 1 6 1 Oh t a H， Ka wa s a k i K， Ok a d a S， e t a 1 ． On the h e a t tra n s f e r me c h a n i s ms i n mic r o g r a v i t y n u c l e a t e b o i l i n g [ J ] ． A d v a n c e s i n S p a c e R e s e a r c h ， 1 9 9 9 ， 2 4 1 0 1 3 2 5 ． 1 3 3 0 ． [ 1 7 】 程文，宋策，刘文洪，等． 气液两相流中气泡速度的图像处理[ J 】 ． 工程热物理学报，2 0 0 9 ，3 0 1 8 3 8 6 ． [ 1 8 ] 孙波， 孙立成， 幸奠川， 等． 竖直大圆管内两相流界面分布机理[ J 】 l 化工学报，2 0 1 2 ，6 3 1 2 3 8 1 2 ． 3 8 1 7 ． 高敦岳，江虹，於兵 ，等．两相流中气泡和液滴的直径及其分布 的自动测量f J ] ． 化工学报，1 9 9 0 ，4 1 1 1 1 1 - 1 1 7 ． 刘红 ，解茂昭，于静 ，等．金属熔池往复搅拌流场中气泡运动特 性数值模拟研究[ J ] ． 大连理工大学学报，2 0 1 1 ，5 1 3 3 3 1 - 3 3 7 ． 张捷宇， 贺友多， S a h a i Y 氧气顶吹转炉中的两相流流动[ J ] ． 燃烧 科学与技术，2 0 0 0 ，6 2 1 1 5 1 1 9 ． 杨濮亦，王冲 ，王仕博 ，等．项吹气泡在两相间运动的形变过程 对熔池搅拌效果影响的实验研究f J ] ． 化工进展 ， 2 0 1 4 ， 3 3 3 1 - 7 ． 左娟莉，田文喜，秋穗正，等． 液态金属内单个气泡上升行为的 MP S法数值模拟 ．原子能科学技术， 2 0 1 1 ， 4 5 1 2 1 4 4 9 ． 1 4 5 5 ． 加 ∞ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m