液化天然气储罐区防液堤的设计理论及相关问题之我见.doc

液化天然气储罐区防液堤的设计理论及相关问题之我见2007-4-5分享到： QQ空间 新浪微博 开心网 人人网 摘要：目前，天津的液化天然气码头即将建成,液化天然气供应站的工程建设以及随之而来的设计工作势必蓬勃开展起来。防液堤，作为供应站储罐区至关重要的安全防护构筑物，其工程质量亦不可轻视。近年来，天然气管线及其配套调压场站的设计工作较多，而这种伴有液态储罐的供应基地的设计实践相对比较少，设计人员容易忽视防液堤等技术细节问题的理论分析，造成工程安全隐患。本文将从国家有关规范入手，对防液堤的计算理论进行详细阐述，并结合自身工程经验对现有工程中存在的一些问题提出看法，以期对读者有所帮助。关键词：液化天然气 防液堤 设计理论1引言 液化天然气供应站是指以储罐接收从生产基地或进口基地运来的液化天然气。并经气化、调压后，输送到管网的场站。供应站的核心设施是储罐，为了防止储罐泄漏时液化天然气任意外流，造成火灾、曝炸灾害蔓延的情况，储罐必须设置在非燃烧体实体围护墙内，这样的实体同护墙就叫做防液堤。2005年，国家颁布了由中国石油天然气总公司主编的储罐区防火堤设计规范，它的适用范围是地上液态储罐区(包括油罐、液化石油气及天然气凝液储罐)的防火堤、防液堤或防护墙。以下，本文将根据此规范并结合其它有关规范，从布置原则、强度分析、稳定性分析3个方面来阐述液化天然气防液堤的设计理论，并结合自身的设计经验，对现有工程中存在的一些问题提出看法。2液化天然气防液堤的布置原则 液化天然气防液堤的布置主要应遵循以下几个原则： (1)防液堤内的有效容积应不小于较大罐的单罐容积。 (2)防液堤的高度应为1m一1.6m。之所以对防液堤限定最小高度，主要是防止消防救援时消防水外溢；限定最高高度，主要是考虑消防救援时消防视线不被阻挡。在工程实践中，防液堤高度一般为1m。 (3)防液堤的内外地面可平齐。必要时，可设计成内低外高，以提高防液堤的抗倾覆能力。若设计成内高外低，不但浪费材料，还给人以不安全感,一般情况下不应采用。 还有一个问题，一座防液堤内不宜设置过多的储罐。当储罐数量较多时，应用隔堤隔开，分组设置。在储罐区防火堤设计规范中提出：全冷冻式储罐，储罐组内的储罐数量不应多于两个。目前，在很多工程中都没有按照这一条实行。甚至有一座防液堤内设置10个储罐的情况，大大增加了事故及其危害的概率，这是很值得商榷的。3液化天然气防液堤的强度分析 强度分析是液化天然气防液堤设计的关键所在，其计算原则在储罐区防火堤设计规范中有明确规定：应按承载能力极限状态进行堤内满液工况荷载效应的基本组合计算。在7度及7度以上抗震地区，应进行地震作用效应的基本组合计算。此条是强制性条文，设计时必须严格遵守。按上述原则进行计算时，控制截面一般是防液堤埋入地坪的那个截面(如图1)。对目前工程中常用的防液堤选型为钢 筋混凝土防液堤和砖砌体防液堤来说，强度计算虽然都是取lm堤长作计算单元，但方法有所不同。对于钢筋混凝土防液堤按偏压进行正截面承载力计算，按受弯进行斜截面抗剪计算。而砖砌体防液堤按纯弯分别进行正截面和斜截面承载力计算。下面将分别详细阐述。另外，应该指出，防液堤的构造决定它必定能满足刚度要求，所以不必进行变形验算。3.1钢筋混凝土防液堤的计算 钢筋混凝土防液堤在两种组合中所受的轴力均只为自重，如下式：N=I.2 GK 式中GK-每米堤长计算截面以上堤身自重荷载标准值。 在静力组合中，钢筋混凝土防液堤的弯矩来源于静液压力的合力对计算截面的矩(计算简图见图2)，按下列公式计算： M=1.0MYK MYK=PYKH0 PYK=1/2yH2y H0=1/3Hy 式中MYK计算截面以上每米堤长静液压力合力对计算截面的弯矩标准值； PYK计算截面以上每米堤长静液压力合力标准值； Hy计算截面至液面距离； H0计算截面以上每米堤长静液压力合力位置至计算截面的距离。 在地震组合中，钢筋混凝土防液堤的弯矩来源于静液压力合力、堤身水平地震作用台力和水平动液压力合力对计算截面的矩，计算公式如下： M=1.0MYK+0.61.3(MEGK+MEYK) 式中MEGK-计算截面以上每米堤长水平地震作用合力对计算截面的弯矩标准值； MEYK计算截面以上每米堤长水平动液压力合力对计算截面的弯矩标准值。 钢筋混凝土防液堤在水平地震作用下是以弯曲变形为主的，计算公式是以纯弯曲理论为基础的(计算简图见图3)，公式如下： MEGK=PEGKH0 PEGK=1max1B1H H0=2H 式中PEGK计算截面以上每米堤长水平地震作用合力标准值； max水平地震影响系数最大值； 1钢筋混凝土防液堤基本振型参与系数，取1.6； a1、a2与计算截面位置有关的系数； H基础顶面至堤顶的高度； B1计算截面以上堤身平均厚度。 钢筋混凝土防液堤的水平动液压力的相关计算按照室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范(计算简图见图4)，公式如下： PEYK=1.25amaxyyHdfd PEYK=PEYKHy MEYK=1/2PEYKH2y 式中PEYK每米堤长水平动液压力标准值； fd水平动液压力系数，取0.35； Hd液体深度； PEYK计算截面以上每米堤长水平动液压力合力标准值。 按上述公式求得轴力N和弯矩M后，就可以按照混凝土结构设计规范有关的内容进行截面验算了。应该说，作用在防液堤上的效应对钢筋混凝土材料来说是比较小的。所以，钢筋混凝土防液堤的截面可以取得窄一些。但由于有抗渗漏的考虑，截面宽度还不应小于200mm。现将8度抗震区，1m高堤身(工程中最常用的高度)，C20混凝土，截面宽度为200mm的钢筋混凝土防液堤计算结果列于表l。 表1 内力计算CKKN/mMYKKNm/mPYKKN/mMEGKKNm/mPEGKKN/mMEYKKNm/mPEYKKN/mNKN/mMKNm/m51.750.450.850.350.762.3轴力组合式N=1.2GK,弯矩组合式1.0MYK+0.61.3(MEGK+MEYK)注1截面验算eommemm对称筋Asmm截面足够,按构造配筋即可38541063 从表1结果来看,材料的强度并没有充分发挥，似乎选用钢筋混凝土防液堤是对材料的一种浪费。而砖砌体价格低廉，施工方便。我们为什么还要使用钢筋混凝土防液堤呢?这是因为,液化天然气储罐泄漏事故发生的状况与一般液态储罐不太一样。最初泄漏的液化天然气将很快气化,在储罐周围低位处会出现白烟飘渺的现象。同时，由于大量热交换的存在,储罐周围的环境温度会大为降低，继续泄漏出来的液体将无法马上气化,而是保持超低温液态，流向防液堤。显然,防液堤必须有抵抗超低温(一般至少-145)的能力。根据以往的材料实验资料表明，在冷冻环境下,砌体的裂缝开展比较严重(其实，就算是不在低温情况下，由于砖砌体属于脆性材料，砂浆难以饱满.也很容易出现裂缝)。相比之下，钢筋混凝土的抗低温情况要好的多(水工等行业在这方面有很多经验)。所以,液化天然气防液堤不仅可以选用钢筋混凝土形式,而且还应优先选用钢筋混凝土形式。3.2 砖砌体防液堤的计算 在静力组合和地震组合中，砖砌体防液堤上作用的弯矩计算原理与钢筋混凝土防液堤完全相同，分别按一下两式计算： 静力组合 M=1.0MYK 地震组合M=1.0MYK+0.6l.3(MEGK+MEYK) 其中,静液压力、水平动液压力相关计算的公式与钢筋混疑土防液堤也完全相同。只有堤身的水平地震作用,由于砖砌体防液堤与钢筋混凝土防液堤，接近纯剪切变形(计算简图见图5)，计算按下列公式： PEGK=PEGKH0 PEGK=2max3B1H H0=3H 式中2砖砌体防液堤基本振型参与系数，取1.27； 3、4与计算截面位置有关的系数。 有了弯矩M后，按照砌体结构设计规范有关内容进行截面验算。有砌体结构设计常识的人都知道,砖砌体的受弯能力极差，所以对砖砌体防液堤要格外仔细核算强度。目前，有些工程中的砖砌体防液堤竞有采用240mm厚截面的，如果进行过强度计算的话，是绝对不会出现这种情况的。下面将8度抗震区，1m高堤身，截面宽度分别为240mm、360mm的砖砌体防液堤计算结果列于表2。 从表2结果来看，240mm厚的截面，无论采用什么等级的材料强度，都无法满足设计要求。实际上，在储罐区防火堤设计规范中明确规定：砖砌体防液堤的截面厚度不应小于300mm。再有，砖砌体受弯强度取决于砌筑砂浆的强度。而在实际施工中，实配砌筑砂浆的强度变异性比较大。所以，设计人员在图纸中给出的砌筑砂浆的强度要求应有一定的裕度。以避免实际施工中，由于砌筑砂浆的实配强度低于设计要求而造成工程隐患。还有一个问题，既然我们知道砖砌体防液堤很容易开裂，那么在使用这种类型的防液堤时应注意采取防开裂措施。例如，在堤顶设置现浇钢筋混凝土压顶。4稳定性验算 防液堤的稳定性验算应包括抗滑验算和抗倾验算。 抗滑验算按下式： (RH+Pp)/p1.3 式中P防液堤每米堤长所承受的总水平荷载设计值；内力计算 MYKKNm/mPYKKN/mMEGKKNm/mPEGKKN/mMEYKKNm/mPEYKKN/mMKNm/mVKN/m240墙1.750.450.850.350.72.36.2360墙1.750.691.30.350.72.56.6内力组合式1.0SYK+0.6*1.3(SEGK+SEYK)注1截面验算W 106mm2A103mm2N/mm2V/AN/mm2用M5砂浆ft=0.11fvo=0.11M7.5砂浆ft=0.14fv=0.14M10ft=0.17fv=0.17240墙9.62400.240.026不合格不合格不合格360墙21.63600.120.018不合格合格合格弯矩判别式/Wft,剪力判别式V/AfV注2 注1：s为内力效应值符号，在式中SYK=SGY，不再区分 注2：此式为简化式 Pp每米堤长被动土压力设计值； RH每米堤长基础底面摩擦阻力设计值,按下式计算：RH=UG； 式中U摩擦系数； G每米堤长自重及覆土传至基础底面的垂直荷载合力设计值。 抗倾覆验算按下式： MW/M1.6 式中M-各倾覆力矩换算至基础底面并进行组合后的每米堤长总力矩设计值； MW每米堤长垂直荷载合力产生的稳定力矩设计值，按下式计算：MW=eG。 式中e-垂直荷载合力作用线至基础前端的水平距离。 实践证明，抗滑验算一般都能