大型LNG儲罐熱-結構耦合有限元分析.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,受到了世界各國的關注和青睞。在LNG產業(yè)中,LNG儲罐的設計建造是整個LNG接收終端工程建設的關鍵環(huán)節(jié),費用高、周期長、涉及專業(yè)多、技術要求高。因此加強對LNG儲罐的研究對推動我國LNG產業(yè)的發(fā)展,解決日益惡化的環(huán)境問題和能源危機都具有十分重要的現實意義。
　　大型LNG儲罐由于其主容器內儲存液體的低溫特性,使其在建造、試驗、冷卻、正?；蚍钦２僮骷邦A熱時

2、需考慮可能的熱效應。當由于內罐泄漏而導致LNG液體進入環(huán)形空間,混凝土外罐可能直接暴露于低溫的環(huán)境下,由此產生的溫度應力和變形可能對罐體結構的整體安全帶來威脅,故對混凝土外罐進行泄漏等低溫條件下的力學驗算和分析十分重要。除此之外,LNG本身具有易燃、易爆的特性,一旦發(fā)生火災或爆炸將會帶來不可估量的損失,甚至引發(fā)嚴重的次生災害。因此,對混凝土外罐進行火災環(huán)境下的熱響應分析、研究LNG儲罐失效機理很有必要。
　　本文借助于通用有限元軟

3、件ANSYS,建立了大型LNG儲罐的二維軸對稱有限元模型,針對正常操作、內罐泄漏、儲罐附近火災三種工況,對其進行了熱—結構耦合有限元模擬分析,得到的主要結論如下:
　　1.正常操作工況下,LNG儲罐內部的保冷結構長期處于低溫的工作環(huán)境,故對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,設置熱保護系統能夠有效防止外界熱量的漏入和低溫儲液對混凝土外罐的不利影響。
　　2.內罐泄漏工況下,混凝土罐壁的

4、降溫過程較為緩慢,溫度沿壁厚(0.8m)方向達到穩(wěn)定需要大概一周的時間,此時罐壁溫度大幅度降低;低溫液體對泄漏液位以上的罐壁溫度影響很小,對頂部環(huán)梁和穹頂的溫度幾乎沒有影響;設置熱保護角能夠有效降低泄漏儲液對罐壁根部的低溫作用。
　　3.內罐泄漏工況下,混凝土外罐產生較大的收縮變形,罐壁混凝土截面的受壓區(qū)高度、受壓區(qū)平均壓應力、鋼筋及鋼絞線應力均滿足 EN14620-1和BS7777等相關規(guī)范的要求,穹頂混凝土受力較小,罐體結構的

5、液密性和可靠性能夠得到保證。
　　4.火災工況下,混凝土外罐穹頂(厚0.4m)、罐壁沿厚度方向的升溫過程表現出明顯的滯后性;持續(xù)加載2小時后,外罐迎火面溫度可以達到640℃左右,而內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,對儲罐的安全運行至關重要。
　　5.火災工況下,混凝土外罐結構產生膨脹變形,穹頂部分的變形相對明顯,罐壁變形很小;罐體所配鋼筋、鋼絞線應力均小于各自的屈服強度,儲