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摘 要： 罐底保冷设计及力学强度校核是大型液化天然气（LNG）储罐设计的核心技术之一。大型LNG储罐底部保冷层应能承受上部LNG产品及储罐本体重量，所以保温层应具有足够的抗压强度；同时罐底部保冷层可能受到横向作用力，因此设计需对罐底保冷层进行承载能力校核以确保投产后罐底泡沫玻璃砖不被压碎破坏。本文以国内某已建LNG项目储罐罐底保冷系统基本参数为例，对其在运行工况重量荷载、水压试验、地震等工况作用下进行了力学抗压强度校核设计，结果表明罐底保冷层具有较大安全系数，力学富裕量满足规范要求。
关键词： LNG储罐； 罐底； 保冷层； 力学强度； 校核设计
【分类号】：TE972
Abstract： The design and mechanical strength check of tank bottom insulation is one of the key core technologies. The tank bottom insulation layer should be able to withstand the upper LNG tank body weight. Therefore， the insulation layer should have a sufficient compressive strength. At the same time the insulation layer may be subject to a lateral force， so it is needed to check the carrying capacity and compressive strength， and ensure the bottom of the tank foam glass tiles are not crushed destruction when put into operation. In this paper， using the tank bottom insulation basic parameters of one built tank in domestic LNG projects， checked the mechanical strength of the tank bottom insulation in weight loads of operating conditions， hydrostatic testing， earthquakes and other conditions. The results show that the tank bottom insulation layer has larger safety factor， have enough mechanical wealthy amount to meet the regulatory requirements.
Keywords： LNG storage tank， tank bottom， insulation layer， mechanical strength， check design.
为了减少LNG低温储罐漏热以及储罐BOG蒸发气体产生，LNG储罐须设置完善的保冷系统[1，2]。罐底保冷主要作为在于保持蒸发低于特定的限度、保护储罐底部非低温部件/材料，使其处于所要求的环境温度下、限制储罐底部的基础/土壤冷却避免因冻胀而损坏、防止储罐底部表面的水蒸气冷凝和结冰[3]。
LNG全容罐底部保冷材料应能承受上部LNG产品或储罐本体的荷载，保温层应具有足够的抗压强度[4]，另外罐底部保冷材料可能受到横向力作用（例如：地震）力，保冷层应具有足够的抗拉强度和剪切性能。因此设计需对大型LNG储罐罐底保冷层进行承载能力校核以确保罐底泡沫玻璃砖等保冷层不被压碎破坏，校核工況包括内罐以及LNG液体等重量荷载、水压试验、地震等工况荷载作用。
1. LNG储罐罐底保冷结构介绍
以国内某已建成16万方LNG储罐（示意图见下图1所示）为例，主要组成及参数为：单罐储存净容积16×104 m3，外罐由钢筋混凝土承台、后张拉式预应力混凝土罐壁、钢筋混凝土罐顶组成，罐底承台与罐壁、罐壁与罐顶均采用刚性连接。外罐壁高39.5 m、内径82.0 m、外径83.4 m。承台厚度1.0 m，承台外径89.10 m，承台离地面1.5 m。储罐基础为高架空桩基础结构，内、外罐环状空间和悬挂内吊顶采用绝热材料进行保冷。
罐底保冷示意图见文中图2所示。罐底保冷材料采用具有一定承压能力的泡沫玻璃砖结构，边缘为承压强度较高的HLB1600泡沫玻璃砖（抗压强度1.6MPa），中心部位一般为HLB800泡沫玻璃砖（抗压强度0.8MPa）。泡沫玻璃砖上、下层均铺一层防潮的沥青毡缓冲层。内罐底部和罐底保冷层之间为一层C20素混凝土，用于减缓内罐壁板重量对罐底的巨大冲击力，内罐壁板正下方保冷层为钢筋混凝土承压环梁，用于承受上部内罐壁板重量以及LNG液重下对底部的巨大冲击力[3]。
2.基本参数、荷载作用工况
2.1 LNG储罐底部结构参数
内罐底部素混凝土：C20混凝土（抗压强度20MPa），厚10cm（二层底上、下各一层）；
泡沫玻璃砖（中心区域）：HLB800泡沫玻璃砖（抗压强度0.8MPa）；
泡沫玻璃砖（边缘区域）：HLB1600泡沫玻璃砖（抗压强度1.6MPa）；
承压环梁：C50混凝土（抗压强度50MPa），B（宽）×H（厚）=830mm×290mm
2.2 设计荷载工况
荷载工况下，内罐壁板（含加强圈、挂设弹性毡）对底部找平层、承压环梁、玻璃砖等基础作用力沿斜向下45°方向作用延伸。底部保冷层承载强度校核设计主要考虑以下荷载组合： 1）固定荷载（底部保冷层、内罐、找平层、承压环梁、二层底、环形区域弹性毡、珍珠岩粉末）。
2）LNG液壓（运行工况、地震工况）。
3）水压试验液压（13.5m）。
4）内罐气压（运行工况29kPa，试验工况36.25 kPa）。
5）在运行基准地震（OBE）、安全停运地震（SSE）内罐及液体对罐底的冲击作用。
罐底保冷层力学安全余量应满足欧洲规范EN14620-4要求，即运行工况、水压试验工况、OBE、SSE工况，抗压强度安全系数分别取3、2.25、2.0、1.5[4、5]。
2.3 设计荷载工况
图2中，内罐壁板（含加强圈、挂设弹性毡）对底部找平层、承压环梁、玻璃砖等基础作用力沿斜向下45°方向作用延伸。宽度A为考虑内罐壁板焊缝对内罐基础的有效作用辐射宽度，84mm。
q1：LNG液重； q2：水压试验压力；
q3：内罐底板压力； qo4：罐底试验压力；
q5：承压环梁重量； q6：素混凝土重量；
q7：第二层素混凝土重量； qo3：罐底设计压力；
qo8：侧壁珍珠岩压力 qo12：二次底部钢板重量
P1：内罐壁板及加强圈重量； TP：地震下内罐壁板及加强圈作用综合重量。
该LNG项目储罐各荷载组成分布如小表1所示：
表1 国内某LNG项目储罐罐底保冷层所受荷载
3. 承载能力校核
3.1 中心区域泡沫玻璃砖
中心区域保冷材料为HLB800等级泡沫玻璃砖，承压强度 0.8 MPa，计算中考虑储罐水压试验与气压试验荷载组合存在，中心区域泡沫玻璃砖压缩应力为：
带入参数，各工况荷载下压力及所需材料抗压强度校核如下表2所示。
表2 中心区域泡沫玻璃砖承载能力校核数值
即各工况下中心区域泡沫玻璃砖保冷层安全系数均大于储罐设计标准EN14620最低安全系数要求，即罐底HLB800泡沫玻璃砖抗压强度满足承载力要求。
3.2 边缘区域泡沫玻璃砖
内罐底部区域泡沫玻璃砖需要承受上部内罐壁板的巨大重量，为较高承载能力的HLB1600泡沫玻璃砖，，承压强度1.6 MPa。
承压环梁宽度为830mm，上部重量通过混凝土承压环梁作用力沿斜向下45°方向作用延伸传递给底部HLB1600泡沫玻璃砖，边缘区域泡沫玻璃砖压缩应力为：
带入参数，各工况荷载下压力及所需材料抗压强度校核如下表3所示。
表3 边缘区域泡沫玻璃砖承载能力校核数值
保冷层在上述荷载工况作用下安全系数均大于储罐设计标准EN14620最低安全系数要求，罐底HLB1600泡沫玻璃砖抗压强度满足承载力要求。
3.3 素混凝土
内罐底部C20素混凝土找平层，边缘区域由于要承受内罐壁板运行工况及地震工况巨大的冲击压力，边缘区域较中心区域远为危险，因此可以只对边缘内罐壁板下部区域找平层进行力学校核；另外下部第二层素混凝土由于受力作用面积较大（45°向下方向作用扩散）因此作用荷载没有上部素混凝土大，因此只需要对上部素混凝土层进行承载能力校核。图2中，作用A区域作用应力：
带入参数，各工况荷载下压力及所需材料抗压强度校核如下表4所示。
表4 素混凝土找平层承载能力校核数值
C20素混凝土在上述荷载工况作用下安全系数均大于储罐设计标准EN14620最低安全系数要求，即承载能力满足承载力要求。
4. 结论
本文以国内某已建LNG项目储罐罐底保冷系统基本参数为例，对其在储罐运行工况重量荷载、水压试验、地震等工况作用下进行了力学抗压强度校核设计，结果表明设计所选边缘HLB1600泡沫玻璃砖、中心区域HLB800泡沫玻璃砖、C20混凝土找平层均能够满足储罐各工况下力学承载能力要，罐底保冷层具有较大安全系数，力学富裕量满足储罐主要设计规范规范EN14620要求。
参考文献：
[1] 黄群，夏芳. LNG 储罐国产化的可行性[J].天然气工业，2010，30（7）：80-82.
[2] 扬帆，张超，邓青. 大型LNG储罐内罐稳定性设计方案比选[J].油气储运，2011，12（11）：830-832.
[3] 李海润，徐嘉爽，李兆慈. 全容式LNG储罐罐体温度场计算及分析[J]. 天然气与石油. 2012（04）：15-19.
[4] 熊光德，毛云龙. LNG 的储存和运输[J]. 天然气与石油. 2005（03）：17-20.
[5] 全容式LNG 储罐罐体温度场计算及分析
[6] 王冰，王冰？？陈学东？？王国平. 大型低温LNG储罐设计与建造技术的新进展[J].天然气工业，2010，30（5）：108-112.
[7] Britain Standard Institute.BS7777 Flat-bottomed，vertical，cylindrical storage tanks for low temperature service[S].London：Britain Standard Institute，1993.
[8] European Committee for Standardization.EN14620 Design and manufacture of site built，vertical，cylindrical，flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated，liquefied gases with operating temperatures between 0 ℃ and -165 ℃[S]. Paris：European Committee for Standardization，2006.
关键词： LNG储罐； 罐底； 保冷层； 力学强度； 校核设计
【分类号】：TE972
Abstract： The design and mechanical strength check of tank bottom insulation is one of the key core technologies. The tank bottom insulation layer should be able to withstand the upper LNG tank body weight. Therefore， the insulation layer should have a sufficient compressive strength. At the same time the insulation layer may be subject to a lateral force， so it is needed to check the carrying capacity and compressive strength， and ensure the bottom of the tank foam glass tiles are not crushed destruction when put into operation. In this paper， using the tank bottom insulation basic parameters of one built tank in domestic LNG projects， checked the mechanical strength of the tank bottom insulation in weight loads of operating conditions， hydrostatic testing， earthquakes and other conditions. The results show that the tank bottom insulation layer has larger safety factor， have enough mechanical wealthy amount to meet the regulatory requirements.
Keywords： LNG storage tank， tank bottom， insulation layer， mechanical strength， check design.
为了减少LNG低温储罐漏热以及储罐BOG蒸发气体产生，LNG储罐须设置完善的保冷系统[1，2]。罐底保冷主要作为在于保持蒸发低于特定的限度、保护储罐底部非低温部件/材料，使其处于所要求的环境温度下、限制储罐底部的基础/土壤冷却避免因冻胀而损坏、防止储罐底部表面的水蒸气冷凝和结冰[3]。
LNG全容罐底部保冷材料应能承受上部LNG产品或储罐本体的荷载，保温层应具有足够的抗压强度[4]，另外罐底部保冷材料可能受到横向力作用（例如：地震）力，保冷层应具有足够的抗拉强度和剪切性能。因此设计需对大型LNG储罐罐底保冷层进行承载能力校核以确保罐底泡沫玻璃砖等保冷层不被压碎破坏，校核工況包括内罐以及LNG液体等重量荷载、水压试验、地震等工况荷载作用。
1. LNG储罐罐底保冷结构介绍
以国内某已建成16万方LNG储罐（示意图见下图1所示）为例，主要组成及参数为：单罐储存净容积16×104 m3，外罐由钢筋混凝土承台、后张拉式预应力混凝土罐壁、钢筋混凝土罐顶组成，罐底承台与罐壁、罐壁与罐顶均采用刚性连接。外罐壁高39.5 m、内径82.0 m、外径83.4 m。承台厚度1.0 m，承台外径89.10 m，承台离地面1.5 m。储罐基础为高架空桩基础结构，内、外罐环状空间和悬挂内吊顶采用绝热材料进行保冷。
罐底保冷示意图见文中图2所示。罐底保冷材料采用具有一定承压能力的泡沫玻璃砖结构，边缘为承压强度较高的HLB1600泡沫玻璃砖（抗压强度1.6MPa），中心部位一般为HLB800泡沫玻璃砖（抗压强度0.8MPa）。泡沫玻璃砖上、下层均铺一层防潮的沥青毡缓冲层。内罐底部和罐底保冷层之间为一层C20素混凝土，用于减缓内罐壁板重量对罐底的巨大冲击力，内罐壁板正下方保冷层为钢筋混凝土承压环梁，用于承受上部内罐壁板重量以及LNG液重下对底部的巨大冲击力[3]。
2.基本参数、荷载作用工况
2.1 LNG储罐底部结构参数
内罐底部素混凝土：C20混凝土（抗压强度20MPa），厚10cm（二层底上、下各一层）；
泡沫玻璃砖（中心区域）：HLB800泡沫玻璃砖（抗压强度0.8MPa）；
泡沫玻璃砖（边缘区域）：HLB1600泡沫玻璃砖（抗压强度1.6MPa）；
承压环梁：C50混凝土（抗压强度50MPa），B（宽）×H（厚）=830mm×290mm
2.2 设计荷载工况
荷载工况下，内罐壁板（含加强圈、挂设弹性毡）对底部找平层、承压环梁、玻璃砖等基础作用力沿斜向下45°方向作用延伸。底部保冷层承载强度校核设计主要考虑以下荷载组合： 1）固定荷载（底部保冷层、内罐、找平层、承压环梁、二层底、环形区域弹性毡、珍珠岩粉末）。
2）LNG液壓（运行工况、地震工况）。
3）水压试验液压（13.5m）。
4）内罐气压（运行工况29kPa，试验工况36.25 kPa）。
5）在运行基准地震（OBE）、安全停运地震（SSE）内罐及液体对罐底的冲击作用。
罐底保冷层力学安全余量应满足欧洲规范EN14620-4要求，即运行工况、水压试验工况、OBE、SSE工况，抗压强度安全系数分别取3、2.25、2.0、1.5[4、5]。
2.3 设计荷载工况
图2中，内罐壁板（含加强圈、挂设弹性毡）对底部找平层、承压环梁、玻璃砖等基础作用力沿斜向下45°方向作用延伸。宽度A为考虑内罐壁板焊缝对内罐基础的有效作用辐射宽度，84mm。
q1：LNG液重； q2：水压试验压力；
q3：内罐底板压力； qo4：罐底试验压力；
q5：承压环梁重量； q6：素混凝土重量；
q7：第二层素混凝土重量； qo3：罐底设计压力；
qo8：侧壁珍珠岩压力 qo12：二次底部钢板重量
P1：内罐壁板及加强圈重量； TP：地震下内罐壁板及加强圈作用综合重量。
该LNG项目储罐各荷载组成分布如小表1所示：
表1 国内某LNG项目储罐罐底保冷层所受荷载
3. 承载能力校核
3.1 中心区域泡沫玻璃砖
中心区域保冷材料为HLB800等级泡沫玻璃砖，承压强度 0.8 MPa，计算中考虑储罐水压试验与气压试验荷载组合存在，中心区域泡沫玻璃砖压缩应力为：
带入参数，各工况荷载下压力及所需材料抗压强度校核如下表2所示。
表2 中心区域泡沫玻璃砖承载能力校核数值
即各工况下中心区域泡沫玻璃砖保冷层安全系数均大于储罐设计标准EN14620最低安全系数要求，即罐底HLB800泡沫玻璃砖抗压强度满足承载力要求。
3.2 边缘区域泡沫玻璃砖
内罐底部区域泡沫玻璃砖需要承受上部内罐壁板的巨大重量，为较高承载能力的HLB1600泡沫玻璃砖，，承压强度1.6 MPa。
承压环梁宽度为830mm，上部重量通过混凝土承压环梁作用力沿斜向下45°方向作用延伸传递给底部HLB1600泡沫玻璃砖，边缘区域泡沫玻璃砖压缩应力为：
带入参数，各工况荷载下压力及所需材料抗压强度校核如下表3所示。
表3 边缘区域泡沫玻璃砖承载能力校核数值
保冷层在上述荷载工况作用下安全系数均大于储罐设计标准EN14620最低安全系数要求，罐底HLB1600泡沫玻璃砖抗压强度满足承载力要求。
3.3 素混凝土
内罐底部C20素混凝土找平层，边缘区域由于要承受内罐壁板运行工况及地震工况巨大的冲击压力，边缘区域较中心区域远为危险，因此可以只对边缘内罐壁板下部区域找平层进行力学校核；另外下部第二层素混凝土由于受力作用面积较大（45°向下方向作用扩散）因此作用荷载没有上部素混凝土大，因此只需要对上部素混凝土层进行承载能力校核。图2中，作用A区域作用应力：
带入参数，各工况荷载下压力及所需材料抗压强度校核如下表4所示。
表4 素混凝土找平层承载能力校核数值
C20素混凝土在上述荷载工况作用下安全系数均大于储罐设计标准EN14620最低安全系数要求，即承载能力满足承载力要求。
4. 结论
本文以国内某已建LNG项目储罐罐底保冷系统基本参数为例，对其在储罐运行工况重量荷载、水压试验、地震等工况作用下进行了力学抗压强度校核设计，结果表明设计所选边缘HLB1600泡沫玻璃砖、中心区域HLB800泡沫玻璃砖、C20混凝土找平层均能够满足储罐各工况下力学承载能力要，罐底保冷层具有较大安全系数，力学富裕量满足储罐主要设计规范规范EN14620要求。
参考文献：
[1] 黄群，夏芳. LNG 储罐国产化的可行性[J].天然气工业，2010，30（7）：80-82.
[2] 扬帆，张超，邓青. 大型LNG储罐内罐稳定性设计方案比选[J].油气储运，2011，12（11）：830-832.
[3] 李海润，徐嘉爽，李兆慈. 全容式LNG储罐罐体温度场计算及分析[J]. 天然气与石油. 2012（04）：15-19.
[4] 熊光德，毛云龙. LNG 的储存和运输[J]. 天然气与石油. 2005（03）：17-20.
[5] 全容式LNG 储罐罐体温度场计算及分析
[6] 王冰，王冰？？陈学东？？王国平. 大型低温LNG储罐设计与建造技术的新进展[J].天然气工业，2010，30（5）：108-112.
[7] Britain Standard Institute.BS7777 Flat-bottomed，vertical，cylindrical storage tanks for low temperature service[S].London：Britain Standard Institute，1993.
[8] European Committee for Standardization.EN14620 Design and manufacture of site built，vertical，cylindrical，flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated，liquefied gases with operating temperatures between 0 ℃ and -165 ℃[S]. Paris：European Committee for Standardization，2006.