泄露工况下大型LNG预应力混凝土储罐低温分析

苏 娟 周美珍 余建星 魏会东

(1天津大学建筑工程学院 天津 300072)

(2海洋石油工程股份有限公司 天津 300451)

(3中国海洋石油研究中心 北京 100022)

泄露工况下大型LNG预应力混凝土储罐低温分析

苏 娟1，2，3周美珍2余建星1魏会东2

(1天津大学建筑工程学院 天津 300072)

(2海洋石油工程股份有限公司 天津 300451)

(3中国海洋石油研究中心 北京 100022)

借助于ANSYS有限元软件，对大型LNG预应力混凝土储罐由泄露引起的温度场和内力分布进行了深入研究计算，分析了超低温对预应力混凝土储罐结构的影响。结果表明:超低温作用下LNG储罐温度分布由内而外呈线性分布，罐壁的温度分布比较均匀;为减少罐壁中由低温引起的拉应力，同时避免裂缝的出现应在混凝土外罐中合理配置预应力钢筋和热保护角等保冷结构。

LNG储罐 预应力混凝土 泄露工况 温度场 热保护角 热-固耦合

1 引言

随着中国经济的快速增长，环境保护要求亦日益增高，天然气作为洁净能源燃料得到了快速的发展，同时也带动了相关工业链的投资建设。LNG储存是LNG工业中非常重要的一个环节。在世界上主要的LNG输出国(阿尔及利亚、文莱、印度尼西亚、马来西亚、澳大利亚和委内瑞拉等)和输入国(英国、法国、日本、美国和韩国等)都建有大量的大型低温常压LNG储罐。LNG储罐的储存容量通常按照液化装置的液化能力、长距离运输所需总容量或冬季燃气调峰贮备来考虑。储罐形式取决于容量大小、投资费用、安全因素及当地的建造条件等。

目前，世界上不少国家都有能力和技术建造大、中型低温LNG储罐。容量为4.5万—20万m3的数百台LNG储罐在许多国家和地区正发挥着基本负荷储存、高峰负荷储存及终端储存的各种功能，截至1992年，仅日本就建造了129台LNG储罐。现在世界上最大的地下LNG储罐容量已达到25万m3。在大型低温液体金属储罐领域，如液氧、液氮贮罐，国内已有成熟的设计、制造技术，而相应的预应力钢筋混凝土大型低温LNG储罐在国内目前还没有自行设计、制造，由国外引进技术自行承建的小型储罐也屈指可数，而近年来的广东、福建和上海的LNG储罐都是由国外承包商设计承建。

由于LNG储罐内部储存液体的低温性，对LNG混凝土储罐进行泄露工况等低温条件下的力学验算和评估十分重要。而现有的LNG混凝土储罐规范BS14620:2006［1］中仅对泄露工况下的低温分析给出了规范性条款，并未给出具体的计算公式，关于泄露工况下LNG混凝土储罐的分析国内外也鲜有报告［2-6］。本文基于传热学和热力学基本理论对泄露工况下大型LNG预应力混凝土储罐进行热-固耦合分析。以16万m3预应力混凝土全容罐为研究对象，借助于ANSYS有限元软件，考虑保冷结构的作用，LNG预应力混凝土储罐在主容器泄露工况下温度场分布;采用热-固间接耦合方法，将所求得的温度场导入结构模型，确定泄露工况下LNG预应力混凝土储罐的内力分布。本文的研究成果对于评估低温对储罐安全的影响，制定相关设计规范具有一定的指导意义。

2 理论模型

2.1 泄露工况下LNG混凝土储罐温度场分析

由热力学第一定律和傅里叶定律可推得无热源二维瞬态热传导方程:

式中:k为导热系数，W/(m·℃);ρ为质量密度kg/m3;c为比热，J/(kg·℃);T为温度，℃;t为时间，s;x，y为结构的空间坐标。

2.2 泄露工况下材料热力学本构模型

当LNG混凝土储罐内罐发生泄漏时，LNG的低温性在LNG混凝土外罐以及保温结构的内外表面之间形成温度场。低温的作用，使得结构将产生收缩应变和体积变形，如果结构不受到多余的约束作用，则不会产生温度应力。但是如果结构受到多余约束的作用或者由于结构温度变化不均匀，使得结构的温度变形不能自由进行时，则会在物体中产生温度应力。在给出温度场的情况下，可以进一步求得结构中的热应力。

由于低温的影响，结构材料的弹性模量、泊松比、屈服极限、极限强度等都是温度T的函数。设给定温度场 T(xi，yi，yi)(xi，yi为位置坐标，t为时间)，采用热弹性模型，则总应变为:

式中:ε，εe，εT分别为结构的总应变张量、弹性应变张量和温度应变张量。应力张量σ与弹性应变张量εe之间满足Hooke定律:

H(T)为四阶弹性刚度张量表达式如下:

式中:G(T)为剪切模量;K(T)为体积模量;δ为二阶Kronecker delta单位张量;I-为特殊等同张量［7］，定义为:

对(3)式对“类时间参数”求导有增量表达式:

温度变形张量为:

式中:α(T)为热膨胀系数;T，T0为瞬时温度与初始温度;I为二阶单位张量。温度变形张量的增量形式:

由式(2)和式(8)可得低温作用下考虑收缩应变影响的本构模型为:

3 计算实例

3.1 几何模型与边界条件

以16万m3LNG预应力混凝土全容罐为研究对象，借助于大型有限元软件ANSYS，进行主容器泄露工况下的混凝土外罐的热-固耦合分析。储罐高度为35.65 m，内罐半径为40 m，内外罐之间环形空间为1m，保冷材料从内罐外侧至混凝土外罐壁依次为340 mm厚的玻璃纤维毯，660 mm厚的膨胀珍珠岩，5 m由9%镍钢制成的热保护角以及热保护角和外罐之间的170 mm厚填充保冷材料以及3.5 mm钢制内衬。预应力混凝土罐壁厚度550 mm，钢筋混凝土穹顶厚350 mm，内半径80 m。罐体各组成结构材料的热工性能和热力学参数采用文献［2］中给出的数值。借助于ANSYS有限元软件，在热分析中建立的二维轴对称有限元模型，采用PLANE78模拟混凝土外罐结构保冷材料，采用PLANE75单元模拟热保护角和钢制内衬，LINK32单元模拟桩;然后将所求得各控制点的温度作为荷载施加至由SHELL61单元模拟的外罐轴对称有限元模型中相应的节点。

当LNG发生泄漏时，与空气直接接触的混凝土储罐结构表面需要考虑太阳辐射和风速的影响，边界条件为强迫对流传热。具体的环境因素取值为:环境温度29.2℃，考虑到太阳辐射罐顶和罐壁外表面的温度取值分别为41.7℃和35.8℃，承台和桩之间地面以上的部分温度取值为24℃，LNG泄漏到内外罐之间的液体温度取值为-165℃，表面对流传热系数为 25 W/(m2·K)。

3.2 温度场分布

按照BS14620-1:2004中关于预应力混凝土储罐泄露工况下的设计要求，考虑低泄露液位(大约罐壁6 m高度处)、中泄露液位(大约罐壁12 m高度处)以及高泄露液位(即LNG将内外罐环形空间充满)3种泄露工况下混凝土外罐的低温性能。图1—图3给出了3种泄露高度下预应力混凝土储罐的温度场分布。

图1 低液位泄露工况下储罐等温线Fig.1 Isotherm plot for low spill condition

图2 中液位泄露工况下储罐等温线Fig.2 Isotherm plot for intermediate spill condition

图3 高液位泄露工况下储罐等温线Fig.3 Isotherm plot for full spill condition

计算表明:随着液体泄露高度的增加，低温对罐壁的影响区域越明显;由于内罐顶部悬浮吊顶处保温材料的绝热性，泄露温度对罐顶前部分结构基本没有影响，罐壁和承台为其主要影响区域;超低温作用下LNG储罐外壁温度分布由内而外呈线性分布，罐壁的温度分布比较均匀;在各种泄露工况下，热保护角的存在能够较好的保护混凝土外壁，延缓LNG对罐壁底部的低温冲击。

3.3 内力分析

图4—图8分别给出了3种泄露工况下钢筋混凝土承台在低温作用下的内力变化趋势图。由图中各内力走势可以发现在低温的作用下，除了环向弯矩和径向轴力两种内力，其余的内力在远离承台和罐壁连接处的位置数值基本为零;而在罐壁和承台连接的区域内力发生突变，产生负弯矩和负轴力;同时在低温作用下，承台产生的温度变形将在罐壁底端处产生附加的温度弯矩，因此在设计中对此处应进行特别处理，如增加该处的截面尺寸，提高截面刚度等措施。

图4 3种泄露工况下承台的径向弯矩Fig.4 Longitudinal moment of slab for spill condition

图5 3种泄露工况下承台的环向弯矩Fig.5 Circumferential moment of slab for spill condition

图6 3种泄露工况下承台的径向轴力Fig.6 Longitudinal axial load of slab for spill condition

图7 3种泄露工况下承台的环向轴力Fig.7 Circumferential axial load of slab for spill condition

图8 3种泄露工况下承台的环向剪力Fig.8 Circumferential shear of slab for spill condition

图9—图13分别给出了3种泄露工况下预应力混凝土罐壁在低温作用下环向和径向的内力变化曲线图。图中计算数据表明:由主容器泄露引起的荷载应作为LNG储罐设计的控制荷载;低温和液体的静水压力在罐壁中引起的环向内力要大于引起的径向内力;由于低温和承台温度变形对罐壁的双重作用，在罐壁底部4 m至5 m的范围内产生较大的径向、环向的负弯矩以及环向的负剪力，因此在设计中应该尽量减小这种负弯矩作用以及由此可能引起的裂缝，如:各国设计者在罐壁中布置预应力钢筋产生预压力，以此减少由泄漏引起的负弯矩和裂缝，同时在罐壁底部一定高度处设置热保护角以延缓LNG对罐壁底部的低温冲击;为减少承台对罐壁低端引起的附加弯矩，增加罐壁底部厚度以提高其局部刚度。

图14—图18分别给出了3种泄露工况下钢筋混凝土罐顶在低温作用下的内力变化趋势图。计算表明:由低温产生的各温度内力在远离承台和罐壁连接处的位置数值基本为零;3种泄露液位中，以完全泄露引起的内力最为显著，而且在罐壁和承台连接的区域内力发生突变，产生较大量级的弯矩和轴力;同时在低温作用下，罐顶将对罐壁顶端产生较大的推动力，产生的温度变形将在罐壁顶端处产生附加的温度弯矩，因此在设计中为减少该处的温度内力的影响，将增大该处截面尺寸，提高其刚度以减少产生的温度应力，避免出现裂缝。

图9 3种泄露工况下罐壁的径向弯矩Fig.9 Longitudinal moment of wall for spill condition

图10 3种泄露工况下罐壁的环向弯矩Fig.10 Circumferential moment of wall for spill condition

图11 3种泄露工况下罐壁的径向轴力Fig.11 Longitudinal axial load of wall for spill condition

图12 3种泄露工况下罐壁的环向轴力Fig.12 Circumferential axial load of wall for spill condition

图13 3种泄露工况下罐壁的环向剪力Fig.13 Circumferential shear of wall for spill condition

图14 3种泄露工况下罐顶的径向弯矩Fig.14 Longitudinal moment of roof for spill condition

4 结论

(1)基于传热学和力学基本理论，借助于大型有限元软件，合理建立有限元模型、采用正确的边界条件，可以较好地模拟大型低温LNG预应力混凝土储罐结构的低温性能;

图15 3种泄露工况下罐顶的环向弯矩Fig.15 Circumferential moment of roof for spill condition

图16 3种泄露工况下罐顶的径向轴力Fig.16 Longitudinal axial load of roof for spill condition

图17 3种泄露工况下罐顶的环向轴力Fig.17 Circumferential axial load of roof for spill condition

(2)在泄露工况下，由低温引起的储罐温度分布由内而外呈线性分布，罐壁的温度分布比较均匀;在各种泄露工况下，热保护角的存在能够较好的保护混凝土外壁，延缓LNG对罐壁底部的低温冲击;

图18 3种泄露工况下罐顶的环向剪力Fig.18 Circumferential shear of roof for spill condition

(3)在LNG预应力混凝土储罐中，设计适当的保冷结构是延缓低温冲击、保障结构安全性的有效手段。但是在泄露工况下，储罐仍处于低温工作状态，结构会产生较大的低温应力，因此由主容器泄露引起的荷载应作为储罐结构设计中的控制荷载考虑;

(4)在泄露工况下，由于泄露液体的静水压力、低温冲击以及承台和罐顶对罐壁的约束在罐壁和承台、罐顶的连接区域内产生较大的负弯矩和轴力，为满足结构的安全性和功能性要求，需采取相应的措施减少负弯矩和轴力、避免出现裂缝，如:在罐壁中设置预应力钢筋以施加预压力、增大该区域截面尺寸以提高结构刚度、减小内力以及在结构底部设置热保护角等措施。

1 British Standard Institution BS EN14620-1:Design and manufacture of sete built，vertical，flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated，liquefied gases with operating temperature between 0℃ and -165℃ -Part1:General［S］.London:BSI，2006.

2 王伟玲.大型LNG预应力储罐静力荷载下受力性能研究［D］.大庆:大庆石油学院，2009.

3 Josef Roetzer，Hamish Douglas，Helmut Maurer.Liquid spill hazard investigated for LNG tanks［J］.LNG Journal，2006:32-33.

4 Chen Q S，Wegrzyn J，Prasad V.Analysis of temperature and pressure changes in liquefied natural gas(LNG)cryogenic tanks［J］.Cryogenics，2004，44:701-709.

5 张云峰，张 彬，岳文彤.内罐泄露条件下LNG混凝土储罐预应力外墙模态分析［J］.大庆石油学院学报，2008，32(6):86-90.

6 魏会东，周美珍，颜世忠，等.LNG储罐主容器泄漏时外罐壁的传热特性［J］.低温工程，2009，172(6):57-61.

7 黄克智，黄永刚.固体本构关系［M］.北京:清华大学出版社，1999:25-28.

Low temperature analysis of LNG prestressed concrete tank for spill conditions

Su Juan1，2，3Zhou Meizhen2Yu Jianxing1Wei Huidong2

(1School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)
(2Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，China National Offshore Oil Corporation，Tianjin 300451，China)
(3China National Offshore Oil Corporation Research Center，Beijing 100022，China)

Temperature and stress profile of LNG prestressed concrete tank due to LNG spill was studied and the effect of cryogenic liquid for prestressed concrete tank structure was analyzed.The result shows that temperature distribution is linear from the inside to the outside of the LNG tank，while it is uniform.In order to reduce the tensile stress and avoid cracks，prestressed bar and thermal corner protection should be allocated in concrete outer tank.

LNG tank;prestressed concrete;spill condition;temperature field;thermal corner protection;thermal-solid coupling

TB663

A

1000-6516(2010)04-0047-06

2010-05-13;

2010-07-23

苏 娟，女，29岁，博士。