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，燃燒產物主要為二氧化碳和水，產生的溫室氣體只有煤炭的1/2,石油的2/3,對環境造成的污染遠遠小于石油和煤炭。煤氣的熱值為 3000多大卡，而天然氣的熱值高達8500大卡，可見天然氣是一種清潔高效能源。

隨著世界經濟迅速發展，人口急劇增加，能源消費不斷增長，溫室氣體和各種有害物質排放激增，人類的生存環境受到了極大挑戰。在這種形勢下，清潔的、熱值高的天然氣能源正日益受到重視，發展天然氣工業成為世界各國改善環境和維持經濟可持續發展的最佳選擇。

另一方面，由于國際油價長期居高不下，也使得全球對更清潔能源的需求增長強勁。據國際權威機構預測，天然氣是21世紀消費量增長最快的能源，占一次性能源消費的比重將越來越大。預計2010年前后，天然氣在全球能源結構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。

天然氣的儲量豐富，為天然氣工業穩定發展的提供了根本條件，但是大的天然氣資源大都蘊藏在荒漠地區，與能源消費市場相距很遠，中間還常常有大面積的海洋和復雜的地形地貌阻隔。長距離鋪設管道，甚至越洋氣態輸送天然氣常常要受到成本與技術問題的制約。液化天然氣(LNG)的出現為天然氣的長距離輸送提供了一種經濟、可行的方法。

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

1.1 LNG的生產

天然氣以LNG的方式進行大批量生產、運輸以及貿易始于從上個世紀60年代，目前己經成為影響夭然氣供應格局的一個重要因素。1964年，世界第一座LNG工廠在阿爾及利亞建成投產，隨著越來越多的國家和地區對LNG的需求，LNG工業已經形成了完整的生產鏈，并隨著各國對天然氣需求的不斷增加而進一步發展。

天然氣液化過程包括兩個階段，首先原料氣進行凈化處理脫岀其中的H2S、CO2、水分、Hg等雜質，以免它們在低溫下凍結而堵塞和腐蝕設備和管道。凈化過的原料氣經過制冷循環冷卻得到液化天然氣。

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

我國從20世紀60年代開始著手LNG的研究，目前在全國建成了多座液化天然氣裝置。在四川綿陽，吉林油田和長慶油田分別有一座小型的LNG生產裝置。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；上海浦東調峰型液化工廠，日處理量為10X 104m3o

1.2 LNG貿易

1964年，世界上第一座LNG工廠在阿爾及利亞建成投產。同年，第一艘載著1.2X104t LNG的船駛往英國，標志著世界NLG貿易的開始。據BP公司2002年的統計數據，世界LNG總貿易量己從1964年的8萬噸上升到2001年的10359萬噸，年均增長率高達22%o過去的10年間，全球LNG貿易量增長了 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 的銷售價格計算，全球LNG的市場規模達到了 250億美元□ 2002年LNG占全球天然氣消費量的6%,占國際天然氣貿易量的26%。預計2007年，LNG天然氣市場的份額將上升到9.5%。

1.3 LNG接收站

LNG通過遠洋運輸到達進口國，需要有專門的接受終端對LNG進行儲存、再氣化。截至2003年，世界上在運行的LNG接收站有38個，它們分布在11個國家，其中日本有23個。為了滿足國內特別是東南沿海發達地區日益增長的能源需求，我國也在大力發展液化天然氣工業，并且從國外引進LNG。我國第一個LNG接受終端建于廣東深圳，其一期工程在2005年投產，每年NLG進口量為300萬噸，設兩座16X U)4m3儲罐；二期工程2008年投產，每年進口的NLG增加到500萬噸，增設一座約lOXlf/m3儲罐。福建LNG接受終端已于2005年4月5日開工，工程分兩期建設，一期工程年接受能力為260萬噸LNG,計劃2007年底建成投產；二期工程規模500萬噸LNG/年。上海LNG事故備用站已建成一座2X儲罐，

在建2座5X104m3儲罐。現在國內正在建設或擬建的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儲繼

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

至20世紀末，世界部分LNG接收終端LNG儲罐情況見表1；世界幾個大型LNG工廠中LNG儲罐

情況見表2。

表1世界部分LNG接收終端LNG儲罐

 

表2大型LNGI廠中LNG儲罐

LNG儲罐的設置的形式可分有地上式，地下式，半地下式和坑內式幾種。

1）地上式儲罐

地上式儲罐的結構型式有單容積式罐、雙容積式罐、全容積式罐以及薄膜罐。

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

雙容積罐在主容器外圍設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。內罐和外罐都可以獨立的儲存冷凍的液體，在正常的操作條件下，內罐儲存冰凍的液體。外罐可以儲存從內罐泄漏的液體，但是不能防止內罐泄漏時蒸發氣的排出。

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

地上薄膜儲罐，其內壁耐低溫材料為薄膜不銹鋼，外壁為預應力鋼筋混凝土，內外壁之間為絕熱材料。薄膜罐內壁只能耐低溫而不承受內應力，應力由絕熱層傳遞給預應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）地下式儲罐

地下式儲罐是指罐內LNG最高液位在正常操作時不超過地表高程。液體所處高度低于地面標高,LNG 地下儲藏罐對于儲藏低溫易燃的LNG具有內在的安全性。地下式儲罐外層一般釆用鋼筋混凝土支撐土壓力及地下水壓力，內層釆用不銹鋼薄膜，內外層之間填充保溫材料。在儲罐內部安裝有保溫層，以保持罐內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。復合圓頂放置在邊墻上，隔斷空氣并保持內部氣壓力。在罐側與罐底周圍，設有供熱系統以便 控制地下凍結。

LNG地下儲罐具有以下優點：容積大，占地少，多個儲罐可緊密布置，對站周圍環境要求較低，安全性高，儲存液體不易溢出，具有防災害性事故的功能，適宜建造在人口密集地區和海灘回填區上。但投資大，建設周期長。

地下式儲罐主要集中在日本，抗地震性好，適宜建在海灘回填區上，占地少、多個儲罐可緊密布置、對站周圍環境要求較低、安全性最高。地下式儲罐LNG液面始終在地表以下，即使儲罐崩毀，仍不會發生LNG漫溢現象，輸送LNG的管線也架設在溝槽內，因此并不須設置安全護堤。

3）半地下式儲罐

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罐的結構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罐。半地下式儲罐除了土方開挖作業以外，規劃及設計因素絕大部分與地下式儲罐的條件相似，因此可參見地下式儲罐的相關資料。至于是否設置安全護堤則沒有一致性的意見，因為輸送管線的漏裂是否須以護堤來區隔，各國規定并不一致。

4）坑內式儲罐

坑內式儲罐類似于地下式儲罐，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筑一坑體，儲罐居其中間。儲罐的型式可參見地上式儲罐的各種型式，而擋土的坑體一般由鋼筋混凝土構筑，其規劃和設計可參考地下式儲罐。由于坑內式儲罐同時具有地上式儲罐的槽體結構，又同時具有地下式儲罐的操作及安全性，因此其建造費用相對較昂貴。日本廣島燃氣公司的一座8.5萬方的坑內式儲罐是日本第一座坑內式儲罐。

5）LNG儲罐內罐的材料及保溫層材料

由于LNG是-I62,C的超低溫液體，所以要求直接與LNG液體接觸的內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的脹縮問題。一般而言，LNG內槽材料應考慮以下因素：在低溫下，材料仍保持有足夠的韌性與強度；材料具有良好的焊接性、加工性：材料經焊接后仍具有完整的液密性及氣密性：在運輸容許范圍內，可制造最大材料尺寸；經濟性——單位儲存容量的最小材料單價.

一•般常用于建造LNG內罐的材料主要有：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內槽為金屬薄膜或自立式耐低溫鋼材以及保溫材料的鋪設位置而定，如果以金屬薄膜為內槽，裝設在儲罐底部及側部的保溫材料除應具有高斷熱性能外，亦須具有承受液壓、氣壓及施工載重的強度與剛性。如果以自立式耐低溫鋼材為內槽，此時，儲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，對于儲罐側邊則可使用較不具抗壓強度的保溫材料。不論以金屬薄膜或自立式耐低溫鋼材為內槽，對于罐頂的保溫材料，因不須承受液壓與氣壓，所以均可采用不具抗壓強度的保溫材料"

2上海50000m3LNG儲罐外罐結構設計

2.1工程療況

上海LNG事故備用站工程共擴建2xsOOOOm^LNG儲罐，屬于地上式全容積罐，要求在-165C的低溫儲存LNG,可承受23Qmbar氣壓。儲罐安全設計的第一道設防是9%鐐鋼筒，第二道設防為混凝土壁內襯鋼板（Q235）.第三道設防為預應力混凝土筒體以防止液體泄漏.

LNG簡體內徑54.8m,外徑56,Im,壁厚0.65m,內壁高度29.3m,上面形成環梁及穹頂，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根©800PHCAB型樁，樁長57m。

 

 

圖1 LNG筒體總圖

國內目前無指導LNG儲罐設計的相關規范，國際上LNG儲罐設計的有關規范主要是英國標準BS7777 和歐洲標準EN1473,兩者全容罐的內容基本一致。LNG儲罐區平面和消防設計主要執行歐洲標準EN1473 或美國標準 NFPA59AO 本工程結構設計釆用 Flat-bottomed, vertical, cylindrical項Qrage tanks for low temperature service (BS 7777： 1993), Structural use of concrete (BS 8110： 1997)和 CEB-FIP Model Code( 1990) 等歐洲規范體系，由株式會社大林組完成。J 7

筒體預應力結構釆用C40混凝土(包括底板、筒體、穹頂；墊層C20), HRB400級普通鋼筋，預應力筋采用符合ASTMA416標準的270級鋼絞線，強度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，豎向錨栓12 4>s152等級。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外罐抗滲設計荷載

設計荷載如表3。

表3外罐設計荷載

包括了作用在鋼襯、內罐和保溫層上的活荷載。

通過有限元熱分析確定內層罐體泄漏時外罐的穩態溫度分布，作為結構溫度應力分析計算依據。其中

 

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

 

 

(a)平均氣溫(b)夏季(c)冬季

圖4外錐溫度分布

2.3預應力設計

為抵御各類荷載和作用，在外罐布置預應力筋，張拉后在罐體混凝土中建立合理的預壓應力，以保證 LNG不至外泄。沿罐壁環向水平布設52道有粘結預應力筋，抵御罐體中的環向拉力；設扶壁柱4個，供預應力筋后張錨固用。每道內含＜^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，張拉端上下錯開，有利于罐壁均勻受力。環向預應力筋分為A、B、C, D4組，AB, CD組分別在同一水平面上包圍整個筒體，AB組在扶壁2、4上張拉錨固，CD組在扶壁1、3上張拉錨固， AB和CD組在高度方向上間隔布置。

 

 

圖5預應力水平布置圖

沿罐壁高度方向布置52道U型力筋與直線型力筋，在罐頂張拉與錨固，抵御豎向彎曲應力.設計釆用的預應力與氣壓+LNG液體泄漏壓力的關系見圖7.

 

 

由于本結構體量巨大，預應力數量多且布置復雜，因此需慎重考慮施工順序。本結構設計中提出了兩種可供選擇的施工順序。依據常規順序，在鋼制罐頂氣舉前先張拉罐壁的環向預應力筋；繩頂氣舉后，水壓測試前張拉一半的豎向預應力：關閉外罐壁臨時開孔后張拉剩余的豎向預應力。另一種可縮短工期，在雄頂氣舉后立即張拉罐壁的環向預應力筋，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。

 

 

圖8預應力施工順序

2.4結構計算

泄漏工況下的荷載組合:

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

依據BS8110,需考慮承載能力極限狀態和正常使用極限狀態，承載能力極限狀態下須滿足：

Lf （計算設計荷載）/U （計算設計承載能力）＜1

正常使用極限狀態下須滿足：

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

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

依據CEB-HPMC90,裂縫寬度設計值技下式計算：

Wk =人nraxSwn-EcnrEc*） =

式中如岫——鋼筋和混凝土之間最大滑移長度：

』——如地內鋼筋的平均應變：

J——內混凝土的平均應變；

J—由收縮引起的混凝土應變；

砲——裂縫處的鋼筋應變；

5——在混凝土有效受拉面積人由范圍內由外力扁（t）引起的裂縫處的鋼筋應變；

8—上『內平均應變經驗系數。

采用有限元分析軟件FINAL對結構建模計算，釆用4節點殼單元模擬混凝七外雄，溫度應力分析假定為穩態溫度場。計算得到內力后依據規范公式進行各項驗算。結果顯示，本工程在LNG內罐泄漏的荷載組合作用下正常使用極限狀態和臨界極限狀態均可得到滿足。外罐罐壁混凝土受壓區的最小范圍13.2cm （高度5.25m處），最小平均壓應力3.7N/nun2,大于設計限值.最大裂縫寬度為0.11mm,小于0.3mm限值•外罐體在承載能力極限狀態下的安全性指標（SF=L/Lc）均小于1,不會發生結構破壞。

 

 

 

圖9結構計算結果

3 20000m3LNG預應力混凝土外罐施工

lng天然氣事故氣源備用站是平湖天然氣工程主要的一個項目工程，其土建安裝工程范圍是建造一個容量20000m3液化天然氣儲罐的鋼制內筒和預應力鋼筋混凝土筒體穹頂等，建設單位為上海市天然氣輸配公司，由法國索非(SOFEGAZ)公司設計并擔任施工技術指導，上海化工設計院咨詢，土建施工由上海電力建筑工程公司，安裝單位為上海工業設備安裝公司。

儲罐施工日期自97年9月29日至99年4月12日止，工期為18.5個月°

LNG186套PHC樁的打樁工程于97年6月開始至9月27日結束，采用JUS-100型液壓打樁機， PELMAG-80型柴油錘施打樁基承臺，直徑4>40m,厚Im, C50混凝土共1248m3,于97年10月16日澆筑完成。

筒身釆用專門設計的鋼模板翻模施工，每段均為3.07m。由底板開始逐段向上翻模共分十段，共計 3424.8m3混凝土，自97年11月24日開始至98年7月9日筒身澆完，歷時約7個月。待混凝土筒身爬模到頂后，用氣壓頂升鋼內膽及鋼穹頂到位，利用鋼穹頂做為混凝土穹頂的內模板進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個孔道鋼絞線開始第一批張拉(每孔12根7 4>5mm鋼絞線), 然后自頂向下5孔環向鋼絞線再進行第一批張拉，均進行孔道灌漿后才進行穹頂混凝土澆搗，分兩次澆(第 一次25cm厚，第二次15cm厚)，第一次澆時向儲槽內充氣壓力以支撐鋼管穹頂，穹頂混凝土強度達到R3 N33MPa停氣，穹頂混凝土共438m3o

3.1后張拉法預應力施工順序

由于本工程的特殊情況，所有預應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要施工指導書及提供技術指導。材料試驗標準實際參照了 VSL公司的標準。預應力施工順序見下圖。