LNG罐的地震作用和风荷载怎么定？

如何确定LNG罐及其设施的地震作用和风荷载

李立昌

由于LNG（液化天然气）罐及其设施具有极大的危险性，国内外设计标准对其地震作用和风荷载的确定都有 与一般建构筑物 不同 的要求 ，本文简要介绍有关这方面的内容，供参考。

一． 地震作用：

首先介绍几个名词定义 ：

O perating basis earthquake （ OBE ） or operating level earthquake （ OLE ）——正常操作级别地震。发生此级别地震时和此级别地震后，LNG设施还继续处于正常操作中，仅有个别次要部位出现可维修的损坏，并且此级别地震可重复发生。

S afe shutdown earthquake （ SSE ） or contingency level earthquake （ CLE ）——安全停车级别地震或偶发地震。此级别地震发生时LNG设施将发生较大的损坏，LNG设施停止正常运行。

A ftershock level earthquake （ ALE ）——余震。余震发生时外罐应处于安全使用中。 ALE 一般取 SSE的 二分之一。

目前国内外采用的主要 规范 和设计准则如下 ：
1. 中国：有关LNG罐及其设施的标准主要有 GB51261（天然气液化工厂设计标准） 、GB/T 50938（石油化工钢制低温储罐技术规范）、GB/T 26978 （现场组装立式圆筒平底钢质液化天然气储罐的设计与建造）等。GB 51261要求天然气储罐应按GB/T 50938或GB/T 26978设计。GB/T 50938是参考欧标 EN14620和美标API 620编写的，罐采用了设防地震（相当于 OBE ，50年发生概率为10%，重现期为475年） 和罕遇地震 （相当于 SSE ，50年发生概率为2%，重现期为2475年）进行抗震计算。GB 51261要求天然气储罐基础和所有其他建构筑物都按国内建构筑物抗震规范来进行设计，罐基础和控制室等重要 建构筑物抗震类别为乙类 ， 其他为丙类 。而GB/T 26978 是修改采用EN14620， OBE 取50年发生概率为10%的地震（重现期为475年）， SSE 取50年发生概率为1%的地震（重现期为4975年）。
2 . 欧盟：欧洲标准EN14620共有五个分册，包括总则、设计、制造、检测等，适用于LNG和LPG（液化石油气）等低温液化气设施。罐设施的抗震设计采用了 OBE和SSE 。 OBE 取50年发生概率为10%的地震（重现期为475年）， SSE 取50年发生概率为1%的地震（重现期为4975年）。
3. 美国 ：联邦政府法规49 CFR 193规定LNG设施地震作用应按照NFPA 59a 确定。NFPA 59a将LNG设施划分为三类，罐系统和与消防等有关的关键建构筑物为A类,抗震设计按 OBE 、 SSE 、 ALE三个水准 ， OBE 取50年发生概率为10%的地震（重现期为475年）， SSE 取50年发生概率为2%的地震（重现期为2475年）, ALE 取 SSE的 二分之一。钢罐按API 620设计，混凝土罐按ACI 376设计。控制室等重要建构筑物为B类,抗震按ASCE 7、重要性为三类进行设计。其他一般建构筑物为C类, 抗震按ASCE 7、重要性为二类进行设计。

二 . 风荷载：
1. 中 国 ： GB 51261 和GB/T 50938都没 有明确说明 风荷载是 如何确定的，可理解为是按照GB 50009来计算风荷载的。而 GB/T 26978则要求 风荷载按EN 1991-1-4来计算。尽管中国与欧标基本风速取值一样，但各种系数及其取值还是有区别的，因而计算出的风荷载也是不同的。

2 . 欧盟 ： 风荷载按EN 1991-1-4来计算。基本风速与我国一样，为50年一遇10分钟平均、10米高处、平坦场地而确定的风速。

3. 美国 ：联邦政府法规49 CFR 193规定 LNG设施风荷载可按下面两种方法之一确定：a.按持续风速不小于150mile/h（67.05m/s）来确定风荷载。b.按基本风速取50年超越概率为0.5%（重现期为10000年）来确定风荷载。ASCE ( Wind Load Design for Petrochemical and Other Industrial Facilities ) 认为持续风速是指1分钟的平均风速，将1分钟持续风速150 mile/h转换为3秒钟风速就变成为183 mile/h（81.8m/s）。而NFPA 59a规定罐系统风荷载按基本风速取50年超越概率为0.5%（重现期为10000年）确定，其他 建构筑物按 ASCE 7、重要性为四类（重现期为3000年）确定。需要说明的是按这些风速计算出来的风荷载已经包括了风荷载的分项系数和重要性系数，即这两个系数都为1.0。另外 49 CFR 193还要求设计外罐时要考虑风吹碎片的撞击力。

三．结论及建议：从以上介绍可看出LNG罐设施出于安全考虑无论地震作用还是风荷载的确定都与一般建构筑物有很大不同，可靠度要求更高，这要引起设计人员高度重视。另外我们也看到无论国内还是国外在计算这两种作用时都存在有不一致的地方，设计时要特别注意业主的要求，要采用业主规定的标准规范和设计参数。此外设计时还有荷载组合、荷载分项系数、结构延性系数、结构重要性系数等有关问题需工程师注意。

针对我国LNG罐设施的地震作用和风荷载计算特提出如下建议：

a． 从国家层面上立法，保证LNG罐设施的安全，并以此法为依据来编制有关标准规范。

b． 统一我国LNG罐设施的地震作用，建议 OBE采用 设防地震（ 50年发生概率为10%，重现期为475年 ），此地震发生时和发生后 LNG罐设施应处于正常操作中。 SSE采用 罕遇地震 （50年发生概率为2%，重现期为2475年 ），此地震发生时 设施可安全停止运行。 ALE 取 SSE的 二分之一，发生余震时外罐应处于安全使用中。

LNG罐设施内的建构筑物可分成不同类别，采用不同的抗震标准。罐基础和关键建构筑物应采用与罐一样的设计标准，即按 OBE和SSE来进行设计 。其他建构筑物可按乙类 进行抗震设计 。

c．提高我国LNG罐设施的风荷载，尤其是提高沿海低震区的风荷载，以保证发生台风时LNG罐设施的安全。内陆地区可采用100年一遇的风荷载，而沿海地区可采用更长重现期的风荷载。

参考资料

GB 51261     天然气液化工厂设计标准

GB/T 50938   石油化工钢制低温储罐技术规范

GB/T 26978   场组装立式圆筒平底钢质液化天然气储罐的设计与建造

GB 50009     建筑结构荷载规范

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 °C and -165 °C

EN 1991-1-4     Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-4: General actions - Wind actions

API 620          Design and Construction of Large, Welded, Low-pressure Storage Tanks

NFPA 59a-2019      Standard for the Production, Storage, and Handling of Liquefied Natural Gas (LNG)

ACI 376            Code Requirements for Design and Construction of Concrete Structures for the Containment of Refrigerated Liquefied Gases and Commentary

ASCE 7 -2016       Minimum design loads and associated criteria for buildings and other structures