大型LNG混凝土储罐内罐锚固结构的应力分析.pdf
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1、第 60 卷第 4 期2023 年 8 月化工设备与管道PROCESS EQUIPMENT&PIPINGVol.60No.4Aug.2023周威,等大型 LNG 混凝土储罐内罐锚固结构的应力分析周威,金吉,杨传平(中国五环工程有限公司,湖北 武汉 430223)摘 要:对于内罐需设置锚固的低温 LNG 储罐,由于锚固结构较复杂,温度分布不均、梯度大以及多处热膨胀位置被约束限制,依靠理论解析法来确定结构强度已不现实,而数值求解的方法则是一条比较有效的途径。通过建立三维有限元数值模型并进行热力耦合模拟分析,以高地震区的 SSE 地震工况为例,得到了该工况下的温度分布、变形特点及各点应力状态。结果表
2、明:在 SSE 地震工况下储罐具有较好的绝热效果;在内罐盛液后,由于温差的作用使锚固系统产生较大的变形及热应力,当应力过大时,通过对结构采取位移补偿的措施可降低其应力水平。研究结果对保障储罐的安全具有重要意义,并为类似低温储罐的温度场及力学分析提供参考。关键词:LNG 储罐;锚固;数值求解;温度场;应力分析;热力耦合中图分类号:TE 972 文献标志码:A 文章编号:1009-3281(2023)04-0042-006收稿日期:2022-07-19作者简介:周威(1986),男,高级工程师,硕士。主要从事大型储罐和压力容器的设计及应力分析的工作和研究。液化天然气(LNG)是绿色清洁、灵活高效的
3、优质能源,随着中国能源供给侧改革的持续推进,液化天然气在中国能源结构中的地位不断上升 1-2,并推动着 LNG 接收站等基础设施项目的建设。LNG 储罐作为液化天然气的主要贮存容器在整个项目中处于核心地位,其投资额大,技术含量及安全要求高。在各种 LNG 储罐结构型式中,混凝土全容罐由于其结构性能及安全性最好而被广泛采用。为保证 LNG 混凝土储罐内罐具有良好的抗倾覆稳定性,对于地震烈度较高的工程场地以及高径比较大的储罐,通常所计算的锚固率 J 值大于自锚固罐的限值,需要在内罐壁底部设置锚固装置 3。LNG储罐内罐存储的介质温度约为-165 ,与罐体外部环境温差可达近 200 。在如此大的温差
4、下,若结构因温度分布不均匀且热膨胀受到约束时,就会产生热应力,而热应力达到一定界限时,将导致过量的塑性变形甚至断裂 4。内罐锚固带作为连接内罐、热角保护底板、外罐衬板和混凝土承台的构件,受到多处约束,且温度分布梯度从接近存储介质的低温跨至承台的常温,受力情况比较复杂,所以对内罐锚固结构的温度场分析及应力分析的研究是非常有必要的。1 结构介绍及研究思路1.1 结构模型全容式 LNG 混凝土储罐主要由 9%Ni 钢制内罐、铝合金吊顶、保冷结构以及预应力混凝土外罐构成,在内罐与外罐中间设有热角保护(Thermal Corner Protection,缩写为 TCP)和外罐衬板,锚固带与内罐壁板相连,
5、并贯穿 TCP 底板及外罐底衬板,尾端被埋入混凝土承台中。内罐底部设有保温材料泡沫玻璃砖、找平层和混凝土承压环梁,内外罐壁夹层间采用弹性毡以及膨胀珍珠岩进行保冷。典型的底部结构如图 1 所示。1.2 热力耦合分析的基本思路热力耦合分析实际上是将温度与力两个物理场进行相互作用的结果,属于耦合场分析的范畴。在有限元热力耦合的分析中,通常采用两种分析方法,一种是直接法,另一种是间接法 5。直接法是使用温度和位移自由度的耦合单元,同时获得热分析和结构应力分析的结果。间接法是首先进行温度场分析,然后将求得的节点温度作为体荷载施加在结构中,并结合2023 年 8 月 43 周威,等.大型LNG混凝土储罐内
6、罐锚固结构的应力分析结构自身的边界和载荷条件进行机械与热应力计算,是较常用的有限元静力分析方法。在进行温度场热分析时,首先要考虑三大传热方式热传导、热对流与热辐射 6。(1)热传导当物体内存在温度梯度时,热量就会从物体的高温处向低温处转移,这样的热量传递方式称为热传导。热传导符合傅里叶定律。(2)热对流当流体流过物体表面时相互间进行热量传递的过程称为对流传热。由于流体中分子同时在进行着不规则的热运动,因此热对流也伴随着热传导的现象。热对流可通过牛顿冷却定律计算。(3)热辐射物体通过电磁波来传递能量的方式称为热辐射。热传导和热对流只有在物质存在的条件下才能进行,而热辐射无须任何介质,而且实际上在
7、真空中的辐射能传递最有效。两个物体间热辐射的净换热量可用斯忒藩-玻尔兹曼定律来计算。对于混凝土储罐模型,不同保冷材料之间以及同种材料内部的传热均属于热传导;储罐内部 LNG与内罐之间,蒸发气与吊顶等罐内结构间,以及混凝土承台、外壁和穹顶外侧与外界空气之间的传热属于对流传热;罐顶混凝土下表面与吊顶保冷层上表面之间属于辐射传热 7。1.3 设计工况分类LNG 储罐一旦发生破坏并与外界空气接触后将有爆炸的风险,不仅会直接威胁到附近人员的生命安全,还将导致环境污染,生态破坏,给国民经济造成巨大损失,近年来国内外 LNG 接收站发生泄漏与爆炸的安全事故超过数十余起 8-10。事故原因多样,则在进行 LN
8、G 储罐设计时,应考虑各种工况及其组合。LNG 储罐的设计按季节可分为冬季和夏季工况,在此分类下按照操作和事故条件又可分为预冷(空罐)、正常操作(满罐)、水压试验、操作基准地震(OBE)、安全停运地震(SSE)、轻度泄漏、中度泄漏、重度泄漏、重度泄漏+ALE 地震等工况,载荷工况组合如表 1 所示。图 1 全容式 LNG 混凝土储罐底部锚固结构示意图Fig.1 Schematic diagram of anchorage structure at the bottom of full containment LNG tank预应力混凝土墙外罐壁衬板膨胀珍珠岩弹性纤维毡内罐壁板外罐底衬板桩柱锚固
9、带TCP 壁板内罐底板TCP壁板找平层泡沫玻璃砖混凝土环梁TCP 保护层基础承台表 1 载荷组合工况(冬季/夏季)Table 1 Loading combinations(winter/summer)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)预冷(空罐)操作(满罐)水压试验OBE 地震工况SSE 地震工况轻度泄漏中度泄漏重度泄漏重度泄漏+ALE因篇幅限制且在夏季工况中储罐与环境存在更大的温差应力,并且由于地震力是 LNG 储罐设计的主要外在因素,与建设区域相关,而其余载荷为设计的内在因素,不管储罐建在何地,载荷变化不大。因此,以位于高地震烈度区的储罐在夏季时的安全停运地震(SSE)为例进行介绍
10、,此时 SSE 地震工况为最严苛工况,将以此为例计算在此工况下的温度场及应力分布情况。其中:(1)储罐各结构自重;(2)内罐的液柱静压力;(3)内外罐环形空间液柱静压力;(4)地震作用下液体动压力;(5)地震作用下内罐的提离力;(6)膨胀珍珠岩的压力;(7)温度载荷。第 60 卷第 4 期 44 化工设备与管道2 LNG 储罐锚固结构的有限元模型的建立2.1 有限元模型以 16 万 m3 LNG 混凝土储罐为例,其内罐直径为 80 m,混凝土外罐内侧直径为 82 m,混凝土罐壁高为 39 m,200 根锚固带沿着内罐均匀布置。利用通用有限元软件 ANSYS 对 LNG 储罐进行分析求解,模型建
11、立时尽可能地包含储罐的各个组成部分,以便能精确地模拟储罐真实温度分布及热应力的作用。由于储罐的尺寸较大且为循环对称结构,为方便计算,按锚固带的分布将储罐均分为 200 份,三维模型取全罐的 1/200。LNG 储罐底部锚固结构在进行温度场分析时,所有材料均采用三维 20 节点热实体单元 Solid 90,并在内罐、找平层、TCP、侧壁和底部泡沫玻璃砖保冷层、夹层保冷层以及外罐衬板之间施加接触约束,采用接触单元 Conta 174 和目标单元 Targe 170 来进行接触对的模拟。在求得温度场后,将所有材料由热实体单元转变成同为 20 节点的结构实体单元 Solid 186,以进行结构力学分析
12、 11。为了提高精度,金属结构在角焊缝处做网格的加密处理。如图2、图3所示,分别为 LNG 混凝土储罐底部锚固结构的几何模型和图 2 储罐底部锚固结构几何模型图Fig.2 Geometric model diagram of anchorage structure at the bottom of tank图 3 储罐底部锚固结构有限元模型Fig.3 Finite element model of anchorage structure at the bottom of tank图 4 储罐底部锚固结构金属部分有限元模型Fig.4 Metal part finite element model
13、 of anchorage structure at the bottom of tank表 2 不同温度下保冷材料导热系数Table 2 Thermal conductivity of insulation materials at different temperatures温度/导热系数/W (m )-1玻璃砖弹性毡珍珠岩混凝土500.049 60.049 00.057 82.57250.044 60.048 00.052 62.71100.043 00.046 00.049 52.79-100.040 00.041 00.045 52.90-800.031 40.026 00.032
14、13.16-1600.025 20.018 00.019 13.54有限元网格模型。锚固带位于保冷层内部,仅显示锚固结构金属部分局部视图,如图 4 所示。从上述图中可以看出模型中内罐、保冷层、TCP、锚固带及混凝土等结构。2.2 材料属性LNG 储罐中含有多种热工性质不同的材料,如泡沫玻璃砖、弹性毡、膨胀珍珠岩等,且其导热系数随温度的变化而变化。表 2 为几种有代表性的保冷材料的导热系数。表 3 为 9%Ni 钢材料参数 12。2.3 边界及载荷条件在 SSE 地震工况下,结构进行温度场分析时的边界条件 13-15:(1)内罐内表面设置为-165 :考虑到此时紧贴于内罐壁面的流体层速度为零,可
15、认为该处是以热传导的方式进行传热,并将储液温度直接施加于内罐内侧;(2)外罐壁和承台外表面设置环境空气的对流传热边界。由于对流换热系数不仅取决于流体物性、储罐表面形状,还与环境温度和流速有关,在实际2023 年 8 月 45 周威,等.大型LNG混凝土储罐内罐锚固结构的应力分析工程场地中,外罐的对流边界条件可能会发生改变。在本次计算中空气对流换热系数取 25 W/(m2 K);(3)在内罐泄漏工况下,内外罐之间与泄漏介质接触的结构表面设置为-165 。对结构进行力学分析时,为了在每个 1/200 模型上施加相同的载荷,在环向两端部界面上设置循环对称约束,并在承台下表面限制竖直方向位移约束。针对
16、载荷工况组合按表 1 施加对应的载荷。3 温度场及应力计算结果及分析由于储罐底部结构较复杂,温度梯度大,采用间接法分析可提高计算效率。采用间接法对结构进行热力耦合分析,需先计算出温度场,再将温度场导入结构进行耦合热应力分析。3.1 温度场分析通过分析计算,获得了 SSE 地震工况下的温度场分布。如图 5 和图 6 所示,分别为 SSE 地震工况下的温度分布云图以及沿锚固带温度分布路径图。在 SSE 地震工况下,内罐未泄漏。从图 5 和图6 可以看出,储罐在未泄漏时的保冷效果良好,外罐温度与环境温差相差不大。锚固带在沿着从上至下的路径过程中,温度逐渐升高,在 TCP 底板以下部分上升的梯度最大,
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