摘　要：當(dāng)前的全容式LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐材料多為9％鎳鋼，建造材料難以本土化，導(dǎo)致建造費(fèi)用高、建設(shè)工期長；采用全混凝土LNG(ACLNG)儲(chǔ)罐可降低造價(jià)、縮短工期。國外雖已建成較小尺寸的全混凝土LNG儲(chǔ)罐，但該領(lǐng)    域的研究存在斷層，而我國尚未開展相關(guān)研究。為此，介紹了國外全混凝土LNG儲(chǔ)罐的研究現(xiàn)狀、發(fā)展歷程、結(jié)構(gòu)形式，并開展了低溫環(huán)境下(試驗(yàn)溫度最低至-170℃)混凝土與鋼材的力學(xué)性能試驗(yàn)、混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)、低溫下混凝土與鋼材的黏結(jié)性能試驗(yàn)、鋼筋與預(yù)應(yīng)力混凝土梁的受彎性能試驗(yàn)。據(jù)此總結(jié)出了混凝土在低溫環(huán)境下的工作特性，為全混凝土LNG儲(chǔ)罐的建造設(shè)計(jì)提供了理論支持。同時(shí)，針對(duì)影響儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)安全性的混凝土液密性及凍融循環(huán)問題，提出了相應(yīng)的解決措施。為了促進(jìn)全混凝土LNG儲(chǔ)罐的發(fā)展，還建議持續(xù)開展以下研究工作：①混凝土內(nèi)罐的開裂情況分析；②地震作用下的內(nèi)外罐整體性能分析；③按照ACI 376—2010要求對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)的模擬設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：全混凝土LNG儲(chǔ)罐  結(jié)構(gòu)形式  低溫特性  凍融循環(huán)  液密性  國產(chǎn)化  研究方向

A feasibility study of China-made all-concrete LNG storage tanks

Abstract：About 9％nickel steel has been mostly adopted for the inner material of a full containment LNG storage tank．however,due to its inaccessibility，the tank construction will cost high and need a long period to complete．As a solution to this problem，an all-concrete LNG storage(ACLNG)tank is considered．We first introduced the research status．development history．the structures and types of ACLNG tanks in the foreign countries．Then we conducted a series of experimental studies at the cryogenic temperatures (the lowest to-170℃)including the mechanical properties test of concrete and steel，the freeze-thaw cycle test of concrete．the bonding performance of concrete and steel，and the flexural performance test of the reinforced and pre stressed concrete beams．On this basis，we summarized the performances of concrete at the cryogenic temperatures，which provides the theoretic support for the design and construction of ACLNG tanks．Meanwhile，to strengthen the structure safety of tanks．we present the corresponding technical measures in terms of the liquid tightness and freeze-thaw cycle of concrete．In addition，to stimulate the development of ACLNG tanks in China，we recommended the following studies should be continuously carried out：the analysis of the cracking of concrete inner tanks；the overall properties of external and inner tanks under a seismic action；and the simulation design of a tank in an ultimate limit state and a serviceability limit state based on the requirement of the ACI-376．

Keywords：all-concrete LNG storage tank，structural style，cryogenic property，freezing and thawing cycle，liquid tightness，domestication

LNG儲(chǔ)罐的建設(shè)是LNG產(chǎn)業(yè)鏈的“陸上起點(diǎn)，海上終點(diǎn)”。當(dāng)前的全容式LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐材料多為9％鎳鋼，其生產(chǎn)與施工成本較高且施工工序復(fù)雜；相比之下，內(nèi)罐采用混凝土的LNG儲(chǔ)罐，材料易本土化，施工工期短，建造費(fèi)用低。全混凝土LNG儲(chǔ)罐在國外已有建成先例，但我國尚未開展相關(guān)研究。

全混凝土儲(chǔ)罐(ACLNG TANK)并不是一個(gè)全新的概念，截至2004年，世界上已有9座全混凝土LNG儲(chǔ)罐。最早的一座建在巴塞羅那，從l969年服役至今^[1]，且美國已有相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范——ACI 376—2010^[2]。在20世紀(jì)70—80年代，人們對(duì)全混凝土LNG儲(chǔ)罐有所研究。但由于當(dāng)時(shí)的液化天然氣市場較小，LNG儲(chǔ)罐的投資建設(shè)計(jì)劃較少，且當(dāng)時(shí)的人們?nèi)鄙賹?duì)低溫下混凝土特性的了解，所以對(duì)這種新型的LNG儲(chǔ)罐的研究減少，造成對(duì)全混凝土罐的研究斷層。目前隨著全球能源的緊張，天然氣這種清潔、廉價(jià)能源重新獲得青睞，其中I。NG儲(chǔ)罐的投資建設(shè)也在蓬勃發(fā)展。對(duì)全混凝土LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行研究，有利于LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1　全混凝土LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)形式

對(duì)于全容罐來講，全混凝土罐的主要特點(diǎn)是內(nèi)、外罐均采用混凝土材料，內(nèi)罐罐壁與底板的材料采用預(yù)應(yīng)力混凝土，內(nèi)罐無熱角保護(hù)，罐壁與底板整體澆筑；外罐罐壁設(shè)有防潮層，外罐罐底鋪設(shè)聚酯薄膜面層。為滿足后張拉的要求，全混凝土罐的環(huán)形空間比內(nèi)罐為9％鎳鋼罐的環(huán)形空間大^[3]。全混凝土罐的結(jié)構(gòu)見圖1。

2　全混凝土罐的優(yōu)點(diǎn)

全混凝土罐的應(yīng)用有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，從材料角度講，國內(nèi)的9％鎳鋼材市場緊張，且9％鎳鋼雖已初步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，但價(jià)格依然昂貴。與之相比，混凝土材料容易獲得，成本較低。其次，全混凝土罐的平行施工工序多，建造工期短(圖2)，因工期產(chǎn)生的費(fèi)用相對(duì)較低(圖3)。從圖2可以看出，全混凝土內(nèi)罐與外罐的平行施工搭接時(shí)間長，保冷結(jié)構(gòu)安裝與設(shè)備安裝可同時(shí)進(jìn)；對(duì)于9％鎳鋼，外罐施工即將結(jié)束時(shí)才能進(jìn)行內(nèi)罐施工，保冷結(jié)構(gòu)安裝與設(shè)備安裝不存在搭接時(shí)間。常規(guī)的16×10⁴m³儲(chǔ)罐工期約為33個(gè)月，而全混凝土罐的建造工期約為25個(gè)月，可節(jié)省工期8個(gè)月。工期縮短可使LNG儲(chǔ)罐提前投產(chǎn)，也間接減小了LNG儲(chǔ)罐建造費(fèi)用。從圖3可以看出，采用全混凝土LNG儲(chǔ)罐至少可節(jié)約20％的建造成本^[3]。最后，全混凝土LNG罐可以擴(kuò)大業(yè)主對(duì)承包商與設(shè)計(jì)單位的選擇范圍，優(yōu)化LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與建造市場。同時(shí)混凝土的應(yīng)用在全球經(jīng)驗(yàn)都較為成熟，人們對(duì)混凝土低溫特性的認(rèn)識(shí)也逐漸走向成熟^[4]。

3　混凝土的低溫特性

全混凝土罐的應(yīng)用有很多優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需要對(duì)混凝土的低溫特性有足夠的了解。筆者在已有保溫設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行了低溫環(huán)境下混凝土與鋼材的力學(xué)性能試驗(yàn)、混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)、低溫下混凝土與鋼材的黏結(jié)性能試驗(yàn)、鋼筋與預(yù)應(yīng)力混凝土梁的受彎性能試驗(yàn)^[5-11]。試驗(yàn)溫度最低至-170℃。

3．1　材料特性

在低溫環(huán)境下混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度、峰值拉應(yīng)變、抗?jié)B性、泊松比提高^[5-6]。

低溫下混凝土的本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)表明，素混凝土的彈性模量、強(qiáng)度都有所提高，但脆性加大，配置箍筋可有效改善混凝土在低溫下的延性，試驗(yàn)提出低溫環(huán)境下混凝土的本構(gòu)擬合公式，有助于分析混凝土內(nèi)罐在低溫下的受力特性。

3．2　黏結(jié)特性

鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度影響鋼筋在結(jié)構(gòu)中的錨固長度及受拉性能，試驗(yàn)表明，極限黏結(jié)強(qiáng)度隨溫度的降低、鋼筋屈服強(qiáng)度的增大、錨固長度的減小、混凝土保護(hù)層的增大而增大^[7]。凍融循環(huán)下混凝土強(qiáng)度、鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度降低^[8-9]。

從鋼絞線與混凝土黏結(jié)試驗(yàn)的荷載  滑移曲線可以看出，隨著溫度降低，極限破壞荷載逐漸增大，表明黏結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的安全儲(chǔ)備提高^[10]。

3．3　構(gòu)件受力性能

有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的試驗(yàn)表明^[11]：隨著溫度的降低，預(yù)應(yīng)力混凝土梁的開裂荷載逐漸增大，梁的脆性特征明顯，極限荷載也逐漸增大，開裂荷載的提高程度要大于極限荷載；超低溫環(huán)境下，預(yù)應(yīng)力混凝土梁的平截面假定仍舊適用。

低溫環(huán)境下混凝土梁的試驗(yàn)表明：隨著溫度的降低，鋼筋混凝土梁的開裂荷載逐漸提高，裂縫數(shù)量逐漸減少，裂縫間距增大；同一荷載下，鋼筋混凝土梁的撓度及鋼筋應(yīng)變均隨溫度的降低而呈減小趨勢；鋼筋混凝土梁屈服荷載與極限荷載都有一定的提高，配筋率越大提高程度越大，且屈服荷載的提高程度較極限荷載提高程度更大；低溫下，平截面假定依舊成市，梁延性降低。

綜上所述，混凝土低溫特性的研究為全混凝土LNG儲(chǔ)罐的建造設(shè)計(jì)提供了理論支持。

4　特殊問題及相應(yīng)措施

混凝土在低溫環(huán)境下的力學(xué)特性支持其在低溫領(lǐng)域應(yīng)用，但在凍融循環(huán)的情況下還是會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響；混凝土的液密性也是全混凝土LNG儲(chǔ)罐應(yīng)用時(shí)要著重考慮的問題。

4．1　凍融循環(huán)

在檢修、維護(hù)的情況下，混凝土內(nèi)罐的局部溫度會(huì)有所升高，混凝土?xí)艿絻鋈谘h(huán)的影響。凍融循環(huán)試驗(yàn)表明^[8]：在凍融循環(huán)的情況下，鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度、混凝土的強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，且高含水量的混凝土受影響較大，減小混凝土中的含水量是降低凍融循環(huán)損害的有效途徑。圖4為鋼筋與混凝土的熱變形比較圖。從圖4以看出，在預(yù)加壓力下，混凝土與鋼筋的熱膨脹系數(shù)接近，且呈線性變化，所以對(duì)混凝土施加預(yù)應(yīng)力，可有效提高鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能，提高混凝土耐久性^[12]；快速有效的檢修、維護(hù)方案、管理制度也是降低凍融損害的有效辦法。

據(jù)本文參考文獻(xiàn)[13]單、雙向預(yù)應(yīng)力板的低溫試驗(yàn)結(jié)果表明，雙向預(yù)應(yīng)力筋能減小凍融循環(huán)對(duì)混凝土的損傷。同時(shí)，使用引氣劑、減小水灰比、降低含水量也可提高混凝土在凍融循環(huán)下的耐久性。

在正常運(yùn)行條件下，LNG蒸發(fā)氣與LNG共存，LNG儲(chǔ)罐的環(huán)境溫度在-162℃附近，由ANSYS模擬可確定，對(duì)于0.8m厚的罐壁，穩(wěn)定后內(nèi)罐外表面的溫度在-159℃附近。內(nèi)罐整體被凍透，所以不考慮凍融的影響。內(nèi)罐底板與罐壁的溫度分布如圖5所示。

4．2　液密性

混凝土在低溫內(nèi)罐應(yīng)用時(shí)，液密性是混凝土內(nèi)罐適用性評(píng)估的重要因素，因?yàn)樗刂浦?/span>LNG的損失速率以及結(jié)構(gòu)的安全性^[1]。ACI 376—2010規(guī)定：混凝土內(nèi)罐在靜水試驗(yàn)、正常操作、正常操作+OBE下要滿足液密性要求^[2]。

混凝土的液密性主要取決于混凝土的滲透性能，而微裂縫是影響滲透的主要因素。微裂縫的產(chǎn)生，增加了低溫液體的滲透路徑，加速液體的泄漏，但是此類問題可通過混凝土材料的選擇來減小不利效應(yīng)。

影響滲透的主要因素有含氣量、水灰比、含水量、骨料級(jí)配。骨料與含水量是影響滲透的主要因素，骨料的影響在于：骨料與水泥漿等成分的熱膨脹系數(shù)不一致，使混凝土內(nèi)部各成分變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致微裂縫的產(chǎn)生；含水量的影響在于：冰的熱膨脹變形比混凝土中的其他成分更大，高水灰比會(huì)使低溫下混凝土的溫度變形增大，產(chǎn)生微裂縫。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果^[14-16]，采用輕集料混凝土、加氣混凝土、火山灰水泥、摻加粉煤灰、減小水灰比，可降低混凝土的滲透性。輕集料的熱膨脹系數(shù)較低，與砂漿的系數(shù)相近，且輕集料與水泥漿的彈性模量相近，可增大骨料與水泥漿的黏結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)輕集料混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)低、凍融循環(huán)下的耐久性好、滲透率低；“加氣”的主要原理在于：氣泡的體積較大，水在此空間內(nèi)結(jié)冰不會(huì)與混凝土發(fā)生擠壓，降低由冰膨脹引起的微裂縫的發(fā)生率；粉煤灰通過密實(shí)了微觀結(jié)構(gòu)的不溶性成分，來減少混凝土內(nèi)部的孔隙；減小水灰比有助于減少孔隙的數(shù)量與連通性。

5　結(jié)束語

混凝土在低溫下的特性支持其在LNG儲(chǔ)罐及類似低溫儲(chǔ)罐領(lǐng)域的應(yīng)用，其理論雖逐漸成熟，但依然缺乏大量試驗(yàn)支持。BS ENl4620^[17]規(guī)定：當(dāng)有足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做支撐，混凝土的低溫力學(xué)特性才能應(yīng)用于LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)中。所以還要深化混凝土低溫力學(xué)特性的研究，包括低溫環(huán)境下鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的性能等研究。同時(shí)，為了推廣這種形式的LNG儲(chǔ)罐，還應(yīng)該開展以下攻關(guān)研究：①混凝土內(nèi)罐的開裂情況分析；②地震作用下的內(nèi)外罐整體性能分析；③按照ACI376要求對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)的模擬設(shè)計(jì)。

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本文作者：謝劍  李響  朱俊巖

作者單位：天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

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