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大型低溫液化天然氣鋼筋混凝土儲(chǔ)罐 預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

字體: 放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2022-01-25  瀏覽次數(shù):22046
 關(guān)鍵詞:大型 低溫 液化 天然氣 鋼筋混凝土 儲(chǔ)罐 預(yù)應(yīng)力 設(shè)計(jì) 施工技術(shù)
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1概述

天然氣主要成分是甲烷,凈化后的天然氣其甲烷含量一般都在90%以上,燃燒產(chǎn)物主要為二氧化碳和水,產(chǎn)生的溫室氣體只有煤炭的1/2,石油的2/3,對(duì)環(huán)境造成的污染遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于石油和煤炭。煤氣的熱值為 3000多大卡,而天然氣的熱值高達(dá)8500大卡,可見天然氣是一種清潔高效能源。

隨著世界經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,人口急劇增加,能源消費(fèi)不斷增長(zhǎng),溫室氣體和各種有害物質(zhì)排放激增,人類的生存環(huán)境受到了極大挑戰(zhàn)。在這種形勢(shì)下,清潔的、熱值高的天然氣能源正日益受到重視,發(fā)展天然氣工業(yè)成為世界各國(guó)改善環(huán)境和維持經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的最佳選擇。

另一方面,由于國(guó)際油價(jià)長(zhǎng)期居高不下,也使得全球?qū)Ω鍧嵞茉吹男枨笤鲩L(zhǎng)強(qiáng)勁。據(jù)國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè),天然氣是21世紀(jì)消費(fèi)量增長(zhǎng)最快的能源,占一次性能源消費(fèi)的比重將越來越大。預(yù)計(jì)2010年前后,天然氣在全球能源結(jié)構(gòu)中的份額將超過煤炭,2020年前后,將超過石油,成為能源組成中的第一能源。

天然氣的儲(chǔ)量豐富,為天然氣工業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的提供了根本條件,但是大的天然氣資源大都蘊(yùn)藏在荒漠地區(qū),與能源消費(fèi)市場(chǎng)相距很遠(yuǎn),中間還常常有大面積的海洋和復(fù)雜的地形地貌阻隔。長(zhǎng)距離鋪設(shè)管道,甚至越洋氣態(tài)輸送天然氣常常要受到成本與技術(shù)問題的制約。液化天然氣(LNG)的出現(xiàn)為天然氣的長(zhǎng)距離輸送提供了一種經(jīng)濟(jì)、可行的方法。

LNG是在常壓下將天然氣通過一定的制冷循環(huán)冷卻到?162C左右變成液體,其體積約為常溫常壓下氣態(tài)天然氣的l/600o LNG是天然氣特有的運(yùn)輸和儲(chǔ)存形式,它有利于天然氣的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸,與管道輸送相比,降低了輸送成本,供氣更加靈活;等質(zhì)量LNG要比的常溫常壓下氣態(tài)天然氣體積小得多,降低了天然氣的儲(chǔ)存成本。

1.1 LNG的生產(chǎn)

天然氣以LNG的方式進(jìn)行大批量生產(chǎn)、運(yùn)輸以及貿(mào)易始于從上個(gè)世紀(jì)60年代,目前己經(jīng)成為影響夭然氣供應(yīng)格局的一個(gè)重要因素。1964年,世界第一座LNG工廠在阿爾及利亞建成投產(chǎn),隨著越來越多的國(guó)家和地區(qū)對(duì)LNG的需求,LNG工業(yè)已經(jīng)形成了完整的生產(chǎn)鏈,并隨著各國(guó)對(duì)天然氣需求的不斷增加而進(jìn)一步發(fā)展。

天然氣液化過程包括兩個(gè)階段,首先原料氣進(jìn)行凈化處理脫岀其中的H2S、CO2、水分、Hg等雜質(zhì),以免它們?cè)诘蜏叵聝鼋Y(jié)而堵塞和腐蝕設(shè)備和管道。凈化過的原料氣經(jīng)過制冷循環(huán)冷卻得到液化天然氣。

1964年世界第一個(gè)LNGI廠投產(chǎn)以來,LNG的生產(chǎn)能力得到極大的提高。世界上生產(chǎn)LNG的大型工廠主要集中在亞太地區(qū),中東和北非。亞太地區(qū)有印度尼西亞,馬來西亞,澳大利亞,文萊等;中東地區(qū)有卡塔爾,阿曼,阿布扎比等;非洲有阿爾及利亞,利比亞,尼日利亞等。這三個(gè)地區(qū)的LNG生產(chǎn)1998年占到全世界的76%0其它國(guó)家,如俄羅斯、伊朗等也在本世紀(jì)里興建了大型的LNG工廠。這些大型工廠年生產(chǎn)能力在百萬噸以上。截至2003年,全球共有12個(gè)國(guó)家生產(chǎn)LNG,生產(chǎn)能力達(dá)13779X104t/a其中,亞太地區(qū)LNG生產(chǎn)廠的現(xiàn)有能力可達(dá)6764X 104t/ao

我國(guó)從20世紀(jì)60年代開始著手LNG的研究,目前在全國(guó)建成了多座液化天然氣裝置。在四川綿陽,吉林油田和長(zhǎng)慶油田分別有一座小型的LNG生產(chǎn)裝置。另外,中原油田的液化天然氣工廠,日處理量15 X104m3;新疆廣匯液化天然氣工廠日處理量150Xl()4m3;上海浦東調(diào)峰型液化工廠,日處理量為10X 104m3o

1.2 LNG貿(mào)易

1964年,世界上第一座LNG工廠在阿爾及利亞建成投產(chǎn)。同年,第一艘載著1.2X104t LNG的船駛往英國(guó),標(biāo)志著世界NLG貿(mào)易的開始。據(jù)BP公司2002年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),世界LNG總貿(mào)易量己從19648萬噸上升到2001年的10359萬噸,年均增長(zhǎng)率高達(dá)22%o過去的10年間,全球LNG貿(mào)易量增長(zhǎng)了 80%。2002年全球共銷售LNGL24億噸(合6000萬億立方英尺天然氣),以平均4.25美元/百萬立方英尺 的銷售價(jià)格計(jì)算,全球LNG的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了 250億美元□ 2002LNG占全球天然氣消費(fèi)量的6%,國(guó)際天然氣貿(mào)易量的26%。預(yù)計(jì)2007年,LNG天然氣市場(chǎng)的份額將上升到9.5%。

1.3 LNG接收站

LNG通過遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)竭_(dá)進(jìn)口國(guó),需要有專門的接受終端對(duì)LNG進(jìn)行儲(chǔ)存、再氣化。截至2003年,世界上在運(yùn)行的LNG接收站有38個(gè),它們分布在11個(gè)國(guó)家,其中日本有23個(gè)。為了滿足國(guó)內(nèi)特別是東南沿海發(fā)達(dá)地區(qū)日益增長(zhǎng)的能源需求,我國(guó)也在大力發(fā)展液化天然氣工業(yè),并且從國(guó)外引進(jìn)LNG。我國(guó)第一個(gè)LNG接受終端建于廣東深圳,其一期工程在2005年投產(chǎn),每年NLG進(jìn)口量為300萬噸,設(shè)兩座16X U)4m3儲(chǔ)罐;二期工程2008年投產(chǎn),每年進(jìn)口的NLG增加到500萬噸,增設(shè)一座約lOXlf/m3儲(chǔ)罐。福LNG接受終端已于200545日開工,工程分兩期建設(shè),一期工程年接受能力為260萬噸LNG,計(jì)2007年底建成投產(chǎn);二期工程規(guī)模500萬噸LNG/年。上海LNG事故備用站已建成一座2X儲(chǔ)罐,

在建25X104m3儲(chǔ)罐。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)正在建設(shè)或擬建的LNG接受站還有珠江LNG接收站、浙江寧波LNG 接收站和青島LNG接受站。

1.4 LNG儲(chǔ)繼

LNG生產(chǎn)工廠和接受終端都設(shè)有相應(yīng)的LNG儲(chǔ)罐,這些LNG儲(chǔ)罐一般都是容量在1X104 m3以上的大型儲(chǔ)罐。據(jù)2001年日本《配管技術(shù)》報(bào)道,截至2001年世界LNG液化基地和接收基地62處中,共309LNG儲(chǔ)罐,其中日本168座,其它地區(qū)142座。儲(chǔ)罐容量:20世紀(jì)70年代前為6Xl()4m3以下; 90年代超過6X104m3,10x104m3的儲(chǔ)罐為主,12X104m3以上的儲(chǔ)罐占44%,最大的是日本根岸LNG 接收終端和扇島LNG接收終端的地下儲(chǔ)罐,容量達(dá)20x104n/。

20世紀(jì)末,世界部分LNG接收終端LNG儲(chǔ)罐情況見表1;世界幾個(gè)大型LNG工廠中LNG儲(chǔ)罐

情況見表2。

1世界部分LNG接收終端LNG儲(chǔ)罐

LNG接收站

LNG供應(yīng)國(guó)

總?cè)萘?/span>(104m3)

儲(chǔ)罐型式

儲(chǔ)罐材質(zhì)

日本

Negishi (根岸)

文萊

125

地面、地下

9%Ni, SUS

Sodegaura (袖浦)

文萊、阿布扎比

226

地面、地下

Al, SUS

Senboku II (泉北 II)

印尼

140.5

地面

9%Ni

HimejiU (姬路 II)

印尼

56

OhgishimaI (扇島 I)

 

20

Higashi-Nigata (東新局)

 

72

Tobata (戶田)

 

48

地面

韓國(guó)

 

 

 

 

平澤

印尼、文萊

100

仁川

印尼、文萊

60

英國(guó)

Canvey Island

阿爾及利亞

79.5

地面、地下

A1

法國(guó)

Montoir

阿爾及利亞

36

地面

鋼筋混凝土,9%Ni

Fos-Sur-Mer

阿爾及利亞

15

地面

9%Ni, Al

比利時(shí)

Zeebrugger

21.6

半地下

9%Ni

西班牙

 

 

 

 

Barcelona

阿爾及利亞

24

地面、地下

9%Ni

意大利 La Spezia

利比亞

10

地面

Al

美國(guó)

Lake Charles

阿爾及利亞

28.6

地面

Al

Everett.

阿爾及利亞

15.5

 

2大型LNGI廠中LNG儲(chǔ)罐

LNG工廠

液化能力(106m3/d)

儲(chǔ)罐容量(106m3/d)

儲(chǔ)罐類型

阿爾及利亞

Arzew GL1-Z

21.17

33 (3X11)

地面,9%Ni

Arzew GL2-Z

28.34

28.5 (3X9.5)

地面,9%Ni

Skikd GL1-K

12.19

11 (2X5.5)

地面,9%Ni

利比亞

Marsa el Brega

11.34

10 (2X5)

地面,9%Ni

阿布扎比

Das Island

9.92

30.4 (2X15.2)

地面,9%Ni

24 (3X8)

地面,鋼筋混凝土

文萊

Lumut

24.09

18 (3X6)

地面,9%Ni

阿拉斯加,美國(guó)

Kanai

5.24

10.8 (3X3.6)

地面,A1

印尼

Blang Lancang

24.01

50.8

地面,A1

Badak

15.02

38

地面,9%Ni

馬來西亞

Bintulu

24.09

26

鋼筋混凝土

LNG儲(chǔ)罐的設(shè)置的形式可分有地上式,地下式,半地下式和坑內(nèi)式幾種。

1)地上式儲(chǔ)罐

地上式儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)型式有單容積式罐、雙容積式罐、全容積式罐以及薄膜罐。

單容積罐中只要求內(nèi)罐滿足儲(chǔ)存產(chǎn)品的低溫塑性的要求。其外壁主要用于保持和保護(hù)保溫層,并限制蒸發(fā)吹掃氣體的壓力。單容罐主容器內(nèi)壁一般為含鐐9%的合金鋼,外壁為碳鋼。由于外壁多為一般的鋼鐵,所以在內(nèi)罐發(fā)生泄漏事故時(shí)不能夠盛裝低溫的液體。在外圍修有矮的護(hù)堤來盛裝泄漏的物料,用于防止在內(nèi)罐發(fā)生事故時(shí)LNG外溢擴(kuò)散。

雙容積罐在主容器外圍設(shè)置的一層高度與罐壁相近,并與主容器分開的圓柱形混凝土或9%鐐鋼罐體。內(nèi)罐和外罐都可以獨(dú)立的儲(chǔ)存冷凍的液體,在正常的操作條件下,內(nèi)罐儲(chǔ)存冰凍的液體。外罐可以儲(chǔ)存從內(nèi)罐泄漏的液體,但是不能防止內(nèi)罐泄漏時(shí)蒸發(fā)氣的排出。

全容罐內(nèi)壁為含鐐9%的合金鋼、不銹鋼薄膜(全容薄膜罐)或預(yù)應(yīng)力混凝土,外壁為預(yù)應(yīng)力混凝土。因此,全容罐的外壁不僅可防止罐內(nèi)LNG泄漏時(shí)外溢,還可防止子彈擊穿、熱輻射等。另外,全容式儲(chǔ)罐除具有雙容式儲(chǔ)罐的特點(diǎn)外,它還有雙層罐頂,因此對(duì)于LNG和其蒸發(fā)氣都有雙層包容能力,不僅能儲(chǔ)存從內(nèi)罐泄漏的LNG液體,也能控制蒸發(fā)氣的泄漏。

地上薄膜儲(chǔ)罐,其內(nèi)壁耐低溫材料為薄膜不銹鋼,外壁為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土,內(nèi)外壁之間為絕熱材料。薄膜罐內(nèi)壁只能耐低溫而不承受內(nèi)應(yīng)力,應(yīng)力由絕熱層傳遞給預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土外壁來承受。薄膜罐也能防止LNG及其蒸氣的泄露。

2)地下式儲(chǔ)罐

地下式儲(chǔ)罐是指罐內(nèi)LNG最高液位在正常操作時(shí)不超過地表高程。液體所處高度低于地面標(biāo)高,LNG 地下儲(chǔ)藏罐對(duì)于儲(chǔ)藏低溫易燃的LNG具有內(nèi)在的安全性。地下式儲(chǔ)罐外層一般釆用鋼筋混凝土支撐土壓力及地下水壓力,內(nèi)層釆用不銹鋼薄膜,內(nèi)外層之間填充保溫材料。在儲(chǔ)罐內(nèi)部安裝有保溫層,以保持罐內(nèi)的低溫條件以及薄不銹鋼膜片的液/氣密性。罐頂一般呈圓弧型,為普通鋼材,也有在外層再加一層鋼筋 混凝土的。復(fù)合圓頂放置在邊墻上,隔斷空氣并保持內(nèi)部氣壓力。在罐側(cè)與罐底周圍,設(shè)有供熱系統(tǒng)以便 控制地下凍結(jié)。

LNG地下儲(chǔ)罐具有以下優(yōu)點(diǎn):容積大,占地少,多個(gè)儲(chǔ)罐可緊密布置,對(duì)站周圍環(huán)境要求較低,安全性高,儲(chǔ)存液體不易溢出,具有防災(zāi)害性事故的功能,適宜建造在人口密集地區(qū)和海灘回填區(qū)上。但投資大,建設(shè)周期長(zhǎng)。

地下式儲(chǔ)罐主要集中在日本,抗地震性好,適宜建在海灘回填區(qū)上,占地少、多個(gè)儲(chǔ)罐可緊密布置、對(duì)站周圍環(huán)境要求較低、安全性最高。地下式儲(chǔ)罐LNG液面始終在地表以下,即使儲(chǔ)罐崩毀,仍不會(huì)發(fā)LNG漫溢現(xiàn)象,輸送LNG的管線也架設(shè)在溝槽內(nèi),因此并不須設(shè)置安全護(hù)堤。

3)半地下式儲(chǔ)罐

在某些情況下,為避免大量的土方開挖,或者由于土地使用的限制而將地下式儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)并未完全置于地表以下,LNG最高液面并不要求在地表高程以下,此種形式稱為半地下式儲(chǔ)罐。半地下式儲(chǔ)罐除了土方開挖作業(yè)以外,規(guī)劃及設(shè)計(jì)因素絕大部分與地下式儲(chǔ)罐的條件相似,因此可參見地下式儲(chǔ)罐的相關(guān)資料。至于是否設(shè)置安全護(hù)堤則沒有一致性的意見,因?yàn)檩斔凸芫€的漏裂是否須以護(hù)堤來區(qū)隔,各國(guó)規(guī)定并不一致。

4)坑內(nèi)式儲(chǔ)罐

坑內(nèi)式儲(chǔ)罐類似于地下式儲(chǔ)罐,只是其鋼筋混凝土外層不直接與土層相接,而是另外使用鋼筋混凝土構(gòu)筑一坑體,儲(chǔ)罐居其中間。儲(chǔ)罐的型式可參見地上式儲(chǔ)罐的各種型式,而擋土的坑體一般由鋼筋混凝土構(gòu)筑,其規(guī)劃和設(shè)計(jì)可參考地下式儲(chǔ)罐。由于坑內(nèi)式儲(chǔ)罐同時(shí)具有地上式儲(chǔ)罐的槽體結(jié)構(gòu),又同時(shí)具有地下式儲(chǔ)罐的操作及安全性,因此其建造費(fèi)用相對(duì)較昂貴。日本廣島燃?xì)夤镜囊蛔?/span>8.5萬方的坑內(nèi)式儲(chǔ)罐是日本第一座坑內(nèi)式儲(chǔ)罐。

5)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐的材料及保溫層材料


由于LNG-I62,C的超低溫液體,所以要求直接與LNG液體接觸的內(nèi)雄的材料能夠滿足低溫塑性的要求,而且能克服由常溫降至低溫時(shí)的脹縮問題。一般而言,LNG內(nèi)槽材料應(yīng)考慮以下因素:在低溫下,材料仍保持有足夠的韌性與強(qiáng)度;材料具有良好的焊接性、加工性:材料經(jīng)焊接后仍具有完整的液密性及氣密性:在運(yùn)輸容許范圍內(nèi),可制造最大材料尺寸;經(jīng)濟(jì)性——單位儲(chǔ)存容量的最小材料單價(jià).

•般常用于建造LNG內(nèi)罐的材料主要有:9%鐐鋼,鋁合金和珠光體不銹鋼等鋼材。

LNG儲(chǔ)罐常用的保溫材料主要有聚胺基甲酸酯、聚本乙烯泡沫塑料、玻璃纖維、軟木或珠光砂等。保溫材料的選擇須視LNG內(nèi)槽為金屬薄膜或自立式耐低溫鋼材以及保溫材料的鋪設(shè)位置而定,如果以金屬薄膜為內(nèi)槽,裝設(shè)在儲(chǔ)罐底部及側(cè)部的保溫材料除應(yīng)具有高斷熱性能外,亦須具有承受液壓、氣壓及施工載重的強(qiáng)度與剛性。如果以自立式耐低溫鋼材為內(nèi)槽,此時(shí),儲(chǔ)罐底部仍須使用具有承受液壓、氣壓及施工載重的保溫材料,對(duì)于儲(chǔ)罐側(cè)邊則可使用較不具抗壓強(qiáng)度的保溫材料。不論以金屬薄膜或自立式耐低溫鋼材為內(nèi)槽,對(duì)于罐頂?shù)谋夭牧希虿豁毘惺芤簤号c氣壓,所以均可采用不具抗壓強(qiáng)度的保溫材料"

2上海50000m3LNG儲(chǔ)罐外罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1工程療況

上海LNG事故備用站工程共擴(kuò)建2xsOOOOm^LNG儲(chǔ)罐,屬于地上式全容積罐,要求在-165C的低溫儲(chǔ)存LNG,可承受23Qmbar氣壓。儲(chǔ)罐安全設(shè)計(jì)的第一道設(shè)防是9%鐐鋼筒,第二道設(shè)防為混凝土壁內(nèi)襯鋼板Q235).第三道設(shè)防為預(yù)應(yīng)力混凝土筒體以防止液體泄漏.

LNG簡(jiǎn)體內(nèi)徑54.8m,外徑56,Im,壁厚0.65m,內(nèi)壁高度29.3m,上面形成環(huán)梁及穹頂,穹頂半徑 R=54.8m,矢高7.342m,穹頂厚度400mm.筒體支承在樁基上,底板厚度0.9?l.2m,直徑59.1m。底板與零米地坪架空1.5m,樁基釆用286©800PHCAB型樁,樁長(zhǎng)57m。

 

 
 
 
   

 
 

                                                               

   
 
 

 


1 LNG筒體總圖

國(guó)內(nèi)目前無指導(dǎo)LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范,國(guó)際上LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)范主要是英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS7777 和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1473,兩者全容罐的內(nèi)容基本一致。LNG儲(chǔ)罐區(qū)平面和消防設(shè)計(jì)主要執(zhí)行歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1473 或美國(guó)標(biāo)準(zhǔn) NFPA59AO 本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)釆用 Flat-bottomed, vertical, cylindrical項(xiàng)Qrage tanks for low temperature service (BS 7777 1993), Structural use of concrete (BS 8110 1997) CEB-FIP Model Code( 1990) 等歐洲規(guī)范體系,由株式會(huì)社大林組完成。7

筒體預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)釆用C40混凝土(包括底板、筒體、穹頂;墊層C20), HRB400級(jí)普通鋼筋,預(yù)應(yīng)力筋采用符合ASTMA416標(biāo)準(zhǔn)的270級(jí)鋼絞線,強(qiáng)度1860N/mm2,直徑15.2mm, 1000h松馳率最大2.5%。水平或豎向錨具釆用VSLGC6-12錨具或等效錨具及水平錨栓為124>s15.2等級(jí),豎向錨栓12 4>s152等級(jí)。水平套管釆用波紋管lD/0D=80/87mm;豎向管釆用鍍鋅鋼管1 D/0D=82.9/88.9mm。

2.2外罐抗?jié)B設(shè)計(jì)荷載

設(shè)計(jì)荷載如表3

3外罐設(shè)計(jì)荷載

項(xiàng)目

取值

設(shè)計(jì)壓力

操作:-15—230mbarg

設(shè)計(jì)溫度

(泄漏:?168笆)

液體比重Plng

(泄漏:480kg/m3

設(shè)計(jì)風(fēng)速V

25.0m/s

地震峰值加速度

水平方向

O.B.E 0.118m/s2, S.S.E 0.206 m/s2

豎直方向

O.B.E 0.074 m/s2, S.S.E 0.148 m/s2

設(shè)計(jì)環(huán)境溫度

平均:+157C,夏季:+27.5°C,冬季:+6.9°C

試驗(yàn)壓強(qiáng)

+230 X 1.25mbarg

注:O.B.EOperating Basis Earthquake,運(yùn)仃基準(zhǔn)地震;

S.S.E Safe Shutdown Earthquake> 安全停運(yùn)地震。

外罐設(shè)計(jì)荷載包括:永久荷載,活荷載,氣壓,LNG液體壓力,預(yù)應(yīng)力,溫度(泄漏),泄漏荷載等。 外罐永久荷載計(jì)算釆用預(yù)應(yīng)力混凝土容重25kN/m3,鋼筋混凝土容重25kN/m3o活載為作用于外罐罐頂?shù)?均布荷載1.2 kN/m2,根據(jù)中國(guó)規(guī)范來確定平臺(tái)、走道和扶梯的荷載情況。泄漏時(shí)設(shè)計(jì)氣壓230mbargo作 用于外罐罐壁的LNG液體壓力按下式計(jì)算:

Pwmax=pLNG X g X h)=l 11.4kN/m2

其中Pwmax—作用于外罐罐壁墻根和罐基礎(chǔ)上的液體壓力;

hi——設(shè)計(jì)高度(最大液體溢出高度),本工程中為23,67m。

壓力分布見圖2

作用于儲(chǔ)罐基礎(chǔ)上的LNG液體壓力見圖3,其中0=139.5 kN/n?, ^2=160.5kN/m2, ^=158.1kN/m2,

包括了作用在鋼襯、內(nèi)罐和保溫層上的活荷載。

通過有限元熱分析確定內(nèi)層罐體泄漏時(shí)外罐的穩(wěn)態(tài)溫度分布,作為結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析計(jì)算依據(jù)。其中

 

外罐外側(cè)分別取為平均氣溫、夏季氣溫和冬季氣溫,溫度分布等值線圖和簡(jiǎn)化后的直線型分布結(jié)果見圖4。

 

 

(a)平均氣溫(b)夏季(c)冬季

4外錐溫度分布

2.3預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

為抵御各類荷載和作用,在外罐布置預(yù)應(yīng)力筋,張拉后在罐體混凝土中建立合理的預(yù)壓應(yīng)力,以保證 LNG不至外泄。沿罐壁環(huán)向水平布設(shè)52道有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋,抵御罐體中的環(huán)向拉力;設(shè)扶壁柱4個(gè),供預(yù)應(yīng)力筋后張錨固用。每道內(nèi)含<^15.2鋼絞線12根,由2段曲線筋組成,毎段的包角為180° ,相互在扶壁柱上交叉搭接,張拉端上下錯(cuò)開,有利于罐壁均勻受力。環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋分為AB、C, D4組,AB, CD組分別在同一水平面上包圍整個(gè)筒體,AB組在扶壁24上張拉錨固,CD組在扶壁1、3上張拉錨固, ABCD組在高度方向上間隔布置。

 

 

5預(yù)應(yīng)力水平布置圖

沿罐壁高度方向布置52U型力筋與直線型力筋,在罐頂張拉與錨固,抵御豎向彎曲應(yīng)力.設(shè)計(jì)釆用的預(yù)應(yīng)力與氣壓+LNG液體泄漏壓力的關(guān)系見圖7.


 

 
 

 

由于本結(jié)構(gòu)體量巨大,預(yù)應(yīng)力數(shù)量多且布置復(fù)雜,因此需慎重考慮施工順序。本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提出了兩種可供選擇的施工順序。依據(jù)常規(guī)順序,在鋼制罐頂氣舉前先張拉罐壁的環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋;繩頂氣舉后,水壓測(cè)試前張拉一半的豎向預(yù)應(yīng)力:關(guān)閉外罐壁臨時(shí)開孔后張拉剩余的豎向預(yù)應(yīng)力。另一種可縮短工期,在雄頂氣舉后立即張拉罐壁的環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋,其后與第一種方法相同.在其后的施工過程中采用了第二種方

法并順利完成。

 

 
   


 
   
 
   
 
   

 


8預(yù)應(yīng)力施工順序

2.4結(jié)構(gòu)計(jì)算

泄漏工況下的荷載組合:


永久荷載+0.5X活荷載+氣壓+LNG體壓力+預(yù)成力+溫度(泄漏)+泄漏荷載

依據(jù)BS8110,需考慮承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài),承載能力極限狀態(tài)下須滿足:

Lf (計(jì)算設(shè)計(jì)荷載)/U (計(jì)算設(shè)計(jì)承載能力)<1

常使用極限狀態(tài)下須滿足:

1)基礎(chǔ)板至墻角絕熱層上部5.0m以上部位,墻體徑向受壓區(qū)*5mm及平均壓應(yīng)力>1.0N/mm2;

2基礎(chǔ)板至墻角絕熱層上部5.0m以內(nèi),絕熱層允許彎曲裂縫寬度W<0.3mm«

依據(jù)CEB-HPMC90,裂縫寬度設(shè)計(jì)值技下式計(jì)算:

Wk =nraxSwn-EcnrEc*) =

式中如岫——鋼筋和混凝土之間最大滑移長(zhǎng)度:

——如地內(nèi)鋼筋的平均應(yīng)變:

J——內(nèi)混凝土的平均應(yīng)變;

J由收縮引起的混凝土應(yīng)變;

——裂縫處的鋼筋應(yīng)變;

5——在混凝土有效受拉面積人由圍內(nèi)由外力扁(t)引起的裂縫處的鋼筋應(yīng)變;

8—上『內(nèi)平均應(yīng)變經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

采用有限元分析軟件FINAL對(duì)結(jié)構(gòu)建模計(jì)算,釆用4節(jié)點(diǎn)殼單元模擬混凝七外雄,溫度應(yīng)力分析假定為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。計(jì)算得到內(nèi)力后依據(jù)規(guī)范公式進(jìn)行各項(xiàng)驗(yàn)算。結(jié)果顯示,本工程在LNG內(nèi)罐泄漏的荷載組合作用下正常使用極限狀態(tài)和臨界極限狀態(tài)均可得到滿足。外罐罐壁混凝土受壓區(qū)的最小范圍13.2cm (高度5.25m處),最小平均壓應(yīng)力3.7N/nun2,于設(shè)計(jì)限值.最大裂縫寬度為0.11mm,小于0.3mm外罐體在承載能力極限狀態(tài)下的安全性指標(biāo)SF=L/Lc均小于1,不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

 


 

 
   
   

 


9結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

3 20000m3LNG預(yù)應(yīng)力混凝土外罐施工

lng天然氣事故氣源備用站是平湖天然氣工程主要的一個(gè)項(xiàng)目工程,其土建安裝工程范圍是建造一個(gè)容量20000m3液化天然氣儲(chǔ)罐的鋼制內(nèi)筒和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土筒體穹頂?shù)?,建設(shè)單位為上海市天然氣輸配公司,由法國(guó)索非(SOFEGAZ)公司設(shè)計(jì)并擔(dān)任施工技術(shù)指導(dǎo),上海化工設(shè)計(jì)院咨詢,土建施工由上海電力建筑工程公司,安裝單位為上海工業(yè)設(shè)備安裝公司。

儲(chǔ)罐施工日期自97929日至99412日止,工期為18.5個(gè)月°

LNG186PHC樁的打樁工程于976月開始至927日結(jié)束,采用JUS-100型液壓打樁機(jī), PELMAG-80型柴油錘施打樁基承臺(tái),直徑4>40m,Im, C50混凝土共1248m3,971016日澆筑完成。

筒身釆用專門設(shè)計(jì)的鋼模板翻模施工,每段均為3.07m。由底板開始逐段向上翻模共分十段,共計(jì) 3424.8m3混凝土,自971124日開始至9879日筒身澆完,歷時(shí)約7個(gè)月。待混凝土筒身爬模到頂后,用氣壓頂升鋼內(nèi)膽及鋼穹頂?shù)轿唬娩擇讽斪鰹榛炷榴讽數(shù)膬?nèi)模板進(jìn)行穹頂混凝土的施工。在此之前,混凝土筒壁頂部的圈梁上豎向18個(gè)孔道鋼絞線開始第一批張拉(每孔127 4>5mm鋼絞線), 然后自頂向下5孔環(huán)向鋼絞線再進(jìn)行第一批張拉,均進(jìn)行孔道灌漿后才進(jìn)行穹頂混凝土澆搗,分兩次澆(第 一次25cm厚,第二次15cm),第一次澆時(shí)向儲(chǔ)槽內(nèi)充氣壓力以支撐鋼管穹頂,穹頂混凝土強(qiáng)度達(dá)到R3 N33MPa停氣,穹頂混凝土共438m3o

3.1后張拉法預(yù)應(yīng)力施工順序

由于本工程的特殊情況,所有預(yù)應(yīng)力鋼材及除水泥之外的灌漿材料,均由法方供貨(鋼絞線及錨具 VSL公司),法方索非公司編制簡(jiǎn)要施工指導(dǎo)書及提供技術(shù)指導(dǎo)。材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際參照了 VSL公司的標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)應(yīng)力施工順序見下圖。


 

10預(yù)應(yīng)力施工順序

3.2預(yù)留孔道施工

在砕澆筑之前按設(shè)計(jì)圖紙要求預(yù)埋孔道,豎向埋管釆用4>81X3mm的無縫鋼管,連接方法為承插式,一頭鋼管用擴(kuò)孔機(jī)擴(kuò)孔,并在接頭處套塑料套管,熱壓封閉,用井字型圓鋼固定在位置上。環(huán)向預(yù)埋管是用金屬波紋管4>80mm內(nèi)徑,管壁厚度0.3mm,波紋高度單波2.5mm,雙波3.5mm,接頭并用塑料套管熱壓,波紋管固定位置用圓鋼短筋成井字架@500mm 一道沿玲筒體園周的孔道長(zhǎng)度埋設(shè),井字梯格與主筋扎牢。

3.3預(yù)應(yīng)力筋穿束

力筋孔道穿束釆用VSL專利的穿束機(jī),每孔12T15S鋼絞線是以單根進(jìn)行逐根穿束的,VSL穿束機(jī)是由高壓油泵驅(qū)動(dòng)液壓電動(dòng)機(jī)使穿束機(jī)上驅(qū)動(dòng)輪傳動(dòng),靠機(jī)械壓緊裝置壓住鋼絞線,借助摩擦力推動(dòng)鋼絞線穿入孔中,鋼絞線穿速率為

3.4張拉順序

張拉順序釆用先豎向后環(huán)向方式進(jìn)行張拉,為考慮施加應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中處的砕裂縫,故宜釆用豎向筋間隔對(duì)稱張拉,即先拉占總數(shù)72束中的25%18束豎向筋,其次再拉環(huán)向頂部五圈預(yù)應(yīng)力筋,然后再進(jìn)行其余的豎向筋對(duì)稱張拉,最后自上而下的環(huán)向張拉,其順序如下:

豎向18孔張拉f頂部向下環(huán)向5孔張拉…豎向51孔張拉…環(huán)向由上而下30孔張拉f門洞處豎向孔張拉f門洞處環(huán)向3孔張拉。

3.5張拉方式

垂直張拉釆取分階段,對(duì)稱進(jìn)行的一端張拉,即下端固定穹頂圈梁上張拉。環(huán)向水平預(yù)應(yīng)力筋共38 束,每束由12T15S組成,環(huán)向的張拉采取由上而下的兩端張拉,張拉與錨固均在相鄰兩扶壁柱上的不同部位上進(jìn)行工作。環(huán)向預(yù)應(yīng)力束每束包角為240°,每相鄰兩束的錨固端錯(cuò)位90°,預(yù)應(yīng)力束之間的間距,當(dāng)0?+10.26m標(biāo)高時(shí),水平鋼絞線間距為0.5?Im,當(dāng)+10.26?+29.3m標(biāo)高時(shí),間距為1.0?L6m,水平環(huán)向總拉力8223to

3.6孔道灌漿

在預(yù)應(yīng)力混凝土施工技術(shù)中,特別是后張法預(yù)應(yīng)力孔道灌漿是保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼筋不受銹蝕,使預(yù)應(yīng)力鋼材與結(jié)構(gòu)連成一體的一個(gè)關(guān)鍵。對(duì)于特殊工程如核電廠、天然氣貯罐等安全殼體中后張拉法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的豎向、環(huán)向曲線孔道灌漿施工技術(shù)要求較高,一般通過工藝性能試驗(yàn),再上工程應(yīng)用。

灌漿漿體根據(jù)中國(guó)規(guī)范GB50204-92有三項(xiàng)指標(biāo):

1)灌漿水泥標(biāo)號(hào)不低于P42.5普通硅酸鹽水泥,水泥漿和砂漿強(qiáng)度均不應(yīng)小于20N/m2e

(2)水泥漿水灰比宜0.4左右。

(3)水泥漿拌后三小時(shí),泌水率宜控制在2%,最大不超過3%

根據(jù)上海LNG工程法方施工指導(dǎo)書,主要指標(biāo):

(1)水泥漿、水灰比0.36?0.4

2)水泥漿垂直孔道分兩次壓漿,第二次壓漿最大壓力18Bar,當(dāng)砂漿充滿上罐(即穹頂有一個(gè)50 升的樣本儲(chǔ)罐和一個(gè)泄流龍頭),其時(shí)的馬氏流錐度試驗(yàn)大于10%

3)環(huán)向孔道灌漿,僅要求一次灌漿完成,一般情況下壓力不超過lOBaro

法方指導(dǎo)書上未提出泌水率指標(biāo)。

現(xiàn)場(chǎng)孔道灌漿要求在鋼絞線張拉后十五天內(nèi)要進(jìn)行灌漿,如遇經(jīng)常的結(jié)露,下霧、臺(tái)風(fēng)、暴雨等特殊天氣,可以改變時(shí)限,但最多不得超過一個(gè)月。

3.7結(jié)語

通過對(duì)LNG儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)后張法預(yù)應(yīng)力技術(shù)總結(jié),從引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的觀點(diǎn)看來,我們接觸到法國(guó)索弗公司對(duì)后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)的概念和VSL公司鋼絞線、錨具、夾具的產(chǎn)品質(zhì)量和他們提供的張拉、灌漿設(shè)備。并了解到在張拉計(jì)算中對(duì)預(yù)應(yīng)力損失值,例如孔道摩擦系數(shù),局部偏差的界定,灌漿料的選擇及配合比設(shè)計(jì)等,并在張拉、灌漿過程中通過我們的張拉伸長(zhǎng)值及張拉順序及灌漿工藝性的驗(yàn)證,取得了較好的效果。在實(shí)際施工中,在預(yù)應(yīng)力材料的特性試驗(yàn)和在張拉、灌漿的實(shí)踐中總結(jié)以下幾點(diǎn):

1預(yù)應(yīng)力鋼絞線的原材料試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)規(guī)律:

條件屈服強(qiáng)度在2674?269.7KN之間>251.1KN標(biāo)準(zhǔn)值的1.07倍。

抗拉強(qiáng)度在289.4?293.7KN之間>279KN標(biāo)準(zhǔn)值的1.05倍。

延伸率在6.4%?7%范圍之內(nèi)>3.5%的標(biāo)準(zhǔn)。

彈性模量在1.97?2.04X 105Mpa,以上各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)及VSL公司標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2)張拉結(jié)果:在豎向與環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線的實(shí)際伸長(zhǎng)值與計(jì)算伸長(zhǎng)值均的土5%的允許偏差值以內(nèi),基本符合規(guī)范要求。

3)灌漿效果:基本符合法方設(shè)計(jì)要求。

4)這次在安全殼預(yù)留門洞處(亦即最后幾束的豎向、環(huán)向鋼絞線張拉),發(fā)現(xiàn)門洞處孔道環(huán)向埋設(shè)形成絞線局部彎折,產(chǎn)生過大的摩阻。張拉伸長(zhǎng)值與計(jì)算應(yīng)力不符合,而造成超張拉。因法方設(shè)計(jì) %=0.跖tv超張5%后,已接近0.褊t的鋼絞線材料屈服強(qiáng)度,可能造成斷絲、滑移等現(xiàn)象。故本工程不允許超張拉。同時(shí)建議改進(jìn)在門洞設(shè)計(jì)中孔道埋設(shè)的方式。

5)建議今后建設(shè)單位,業(yè)主方應(yīng)遵守國(guó)家規(guī)范規(guī)定或在涉外合同中明確要求執(zhí)行的規(guī)程、規(guī)范及材料和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的提供,并列出合理的試驗(yàn)費(fèi)用,例如規(guī)定在后張法預(yù)應(yīng)力體系中必須做預(yù)應(yīng)力錨具組合

件靜載錨固性能試驗(yàn),灌漿工藝性能試驗(yàn)及原材料復(fù)試等,以確保工程質(zhì)量與安全施工。

 
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