大型LNG儲(chǔ)罐熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元分析.pdf

1、近年來,天然氣作為“低消耗、高收益、低污染、高效益”的能源和重要的化工原料,受到了世界各國(guó)的關(guān)注和青睞。在LNG產(chǎn)業(yè)中,LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)建造是整個(gè)LNG接收終端工程建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、涉及專業(yè)多、技術(shù)要求高。因此加強(qiáng)對(duì)LNG儲(chǔ)罐的研究對(duì)推動(dòng)我國(guó)LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,解決日益惡化的環(huán)境問題和能源危機(jī)都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　大型LNG儲(chǔ)罐由于其主容器內(nèi)儲(chǔ)存液體的低溫特性,使其在建造、試驗(yàn)、冷卻、正?；蚍钦２僮骷邦A(yù)熱時(shí)

2、需考慮可能的熱效應(yīng)。當(dāng)由于內(nèi)罐泄漏而導(dǎo)致LNG液體進(jìn)入環(huán)形空間,混凝土外罐可能直接暴露于低溫的環(huán)境下,由此產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和變形可能對(duì)罐體結(jié)構(gòu)的整體安全帶來威脅,故對(duì)混凝土外罐進(jìn)行泄漏等低溫條件下的力學(xué)驗(yàn)算和分析十分重要。除此之外,LNG本身具有易燃、易爆的特性,一旦發(fā)生火災(zāi)或爆炸將會(huì)帶來不可估量的損失,甚至引發(fā)嚴(yán)重的次生災(zāi)害。因此,對(duì)混凝土外罐進(jìn)行火災(zāi)環(huán)境下的熱響應(yīng)分析、研究LNG儲(chǔ)罐失效機(jī)理很有必要。
　　本文借助于通用有限元軟

3、件ANSYS,建立了大型LNG儲(chǔ)罐的二維軸對(duì)稱有限元模型,針對(duì)正常操作、內(nèi)罐泄漏、儲(chǔ)罐附近火災(zāi)三種工況,對(duì)其進(jìn)行了熱—結(jié)構(gòu)耦合有限元模擬分析,得到的主要結(jié)論如下:
　　1.正常操作工況下,LNG儲(chǔ)罐內(nèi)部的保冷結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于低溫的工作環(huán)境,故對(duì)于各保冷材料在低溫下的性能要求較高;混凝土外罐的溫度與外界環(huán)境溫度基本相同,設(shè)置熱保護(hù)系統(tǒng)能夠有效防止外界熱量的漏入和低溫儲(chǔ)液對(duì)混凝土外罐的不利影響。
　　2.內(nèi)罐泄漏工況下,混凝土罐壁的

4、降溫過程較為緩慢,溫度沿壁厚(0.8m)方向達(dá)到穩(wěn)定需要大概一周的時(shí)間,此時(shí)罐壁溫度大幅度降低;低溫液體對(duì)泄漏液位以上的罐壁溫度影響很小,對(duì)頂部環(huán)梁和穹頂?shù)臏囟葞缀鯖]有影響;設(shè)置熱保護(hù)角能夠有效降低泄漏儲(chǔ)液對(duì)罐壁根部的低溫作用。
　　3.內(nèi)罐泄漏工況下,混凝土外罐產(chǎn)生較大的收縮變形,罐壁混凝土截面的受壓區(qū)高度、受壓區(qū)平均壓應(yīng)力、鋼筋及鋼絞線應(yīng)力均滿足 EN14620-1和BS7777等相關(guān)規(guī)范的要求,穹頂混凝土受力較小,罐體結(jié)構(gòu)的

5、液密性和可靠性能夠得到保證。
　　4.火災(zāi)工況下,混凝土外罐穹頂(厚0.4m)、罐壁沿厚度方向的升溫過程表現(xiàn)出明顯的滯后性;持續(xù)加載2小時(shí)后,外罐迎火面溫度可以達(dá)到640℃左右,而內(nèi)表面的溫度幾乎未發(fā)生變化,故保證一定的混凝土厚度能夠有效防止外界高溫環(huán)境熱量的漏入,對(duì)儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行至關(guān)重要。
　　5.火災(zāi)工況下,混凝土外罐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生膨脹變形,穹頂部分的變形相對(duì)明顯,罐壁變形很小;罐體所配鋼筋、鋼絞線應(yīng)力均小于各自的屈服強(qiáng)度,儲(chǔ)