LNG储罐泄漏工况混凝土外罐温度场试验研究*

谢剑 金建邦

（1.天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室 300350；2.天津大学建筑工程学院 300350）

引言

液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG），是一种绿色优质的能源，其需求快速增长并成为一个蓬勃发展的产业。LNG储罐是储存液化天然气的特种结构，承担着LNG产业链的海运终点和陆地起点的重要作用。LNG泄漏工况下，-162℃的LNG会对混凝土外罐的罐壁产生超低温冲击，并使罐壁内部产生不均匀的温度场，对储罐的变形和受力产生影响。

目前，国内外学者对于LNG储罐泄漏工况下的研究取得了丰富的成果。借助于有限元工具，Navakumar等［1］研究了LNG混凝土外罐不同泄漏工况下的温度场和结构场，并对钢筋应力、受压区厚度等内容进行了计算分析。在储罐发生泄漏后，罐壁受拉区域的混凝土需重点关注，罐壁顶端和罐壁与底板交界处两个部位的内力较大［2-5］。卡塔尔的 Le-Duy Nguyen［6］利用液氮对混凝土圆板进行降温试验，研究了混凝土板温度的一维传导以及低温液体的蒸发速率。天津大学的谢剑［7］对混凝土试件进行了降温试验，研究了棱柱体的降温和回温速率。

但是整体而言，对于LNG储罐泄漏工况的试验研究很少，有限元分析中不考虑钢内衬构造的假定也存在一定的疑义。本文以模拟LNG储罐罐壁的混凝土试件为研究对象，考虑构造上是否设置钢内衬，利用液氮进行降温试验（模拟泄漏），对混凝土试件温度和变形进行测量，并对两者的区别进行深入分析。

1 LNG储罐结构及泄漏边界条件

全容式LNG储罐的主要构造包括：钢制内罐、混凝土外罐、基础、热角保护系统及附属设备。钢制内罐与混凝土外罐之间为环形空间，填充保温材料。外罐混凝土内表面一般设置钢内衬或者聚合物涂层，以确保混凝土结构的气密性和液密性［8］。

混凝土外罐是整个储罐结构最重要的部分，是泄漏工况下储罐结构的分析重点。有限元分析中，一般假设LNG泄漏后进入环形空间，保温材料失效，从而使LNG直接接触混凝土外罐。目前混凝土外罐与LNG之间的边界条件尚未明确，分析时一般考虑第一类边界条件或第三类边界条件。混凝土外罐外表面与空气接触，一般按照第三类边界条件进行考虑。对于外罐内表面的钢内衬，大部分学者在分析时会忽略，这存在一定的争议。本文将针对上述问题进行相关的试验研究。

2 试验方案设计

2.1 试件制作

本次试验采用强度等级为C45级的混凝土，试件共一个，尺寸为300mm×300mm×100mm，试件设计情况见表1，配合比见表2。其中，水泥采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，砂为河砂，粗骨料采用石灰岩碎石。试件在常温下利用混凝土搅拌机拌料，采用木模板成型浇筑，24h后拆模，自然养护28d。

表1 试件设计Tab.1 Specimen design

表2 混凝土配合比Tab.2 Mixture design

2.2 试验装置及设备

试验在天津大学结构实验室进行，试验装置包括降温系统和测量采集系统，见图1。降温系统采用液氮为制冷源（-196℃），自制聚氨酯保温箱内套9%Ni钢箱作为超低温储液容器。测量系统包含测量设备和数据采集设备。测量设备包括：（1）PT100铂热电阻温度传感器，量程为 -200℃～100℃，精度为0.1℃；（2）电子千分表，量程为0～10mm，精度为0.001mm；（3）BAB120-3AA250应变片，精度为 1με，使用温度范围-269℃～250℃。数据采集设备包括：JM3813静态数据采集仪、测微采集仪、计算机。

2.3 试验方案

本文针对有无钢内衬构造对混凝土试件进行降温试验，其中钢内衬为8mm厚钢板，试验时直接平放在混凝土试件上表面。降温通过液氮接触混凝土或钢板实现，液氮与试件接触区域为直径D＝100mm的圆形区，见图1。

图1 试验装置示意Fig.1 Test equipment

试件C-NC-Y沿水平方向对称轴剖面以及各传感器的布置如图2所示。PT100温度传感器的竖向间距为20mm，横向间距为50mm；位移测点布置在试件侧面中心处；应变测点S1／S2布置在距离上下表面20mm处。

试验顺序和降温制度如下：首先在混凝土试件上覆8mm钢板，进行有内衬试件降温试验；待试件恢复环境温度，移走上覆钢板，进行无内衬试件降温试验；降温时间均为2h。

3 试验结果与分析

3.1 温度

首先对降温结束时两次试验的温度进行分析。图3a和图3b分别为试件C-NC-N和C-CN-Y在7200s时，沿竖直方向中心线不同埋深处TC11／TC21／TC31／TC41的温度以及沿水平方向不同距离处TC11／TC12／TC13的温度。

从图3a可以看出，埋深越大，温度越高，试件C-NC-N／C-NC-Y埋深20mm处温度分别为-136.7℃／-83.1℃，埋深 80mm处分别为-66℃／-36.4℃。可以看出，试件C-NC-N的温度都低于C-NC-Y，且两条曲线之间的距离随埋深的增大而减小，即两者的温差减小，说明热量的传递随距离而衰减。图3b中，温度沿水平距离的变化规律与埋深相似。

图3 试件温度-距离曲线Fig.3 Temperature-displacement curve

为评判不同方向降温量的大小，定义评价指标—平均温度梯度，见公式（1），其计算结果见表3。

式中：gradavgT为平均温度梯度；ΔT为两点之间的温差，其中负号表示降温；ΔD为两点之间的距离。

表3 沿不同方向平均温度梯度Tab.3 Average temperature gradient along different directions

由表3可知，埋深方向的平均温度梯度比水平方向大，也就是说埋深方向的热量传递快于水平方向。另外，试件C-NC-N两个方向的平均温度梯度均大于试件C-NC-Y，可见无内衬试件内部的温度场分布更加不均匀。

为分析试件降温的全过程，做出试件沿竖向中心线不同埋深处温度-时间曲线，见图4。

图4 不同埋深处温度-时间曲线Fig.4 Temperature-time curve with different depth

从图4中可以看出，同一埋深位置，降温初期试件C-NC-N的降温速率大于试件C-NC-Y，且埋深越深，降温速率差越小。以 TC11为例，600s时试件C-NC-N迅速降温至-80℃，而试件C-NC-Y只降至 16.5℃。经历 7200s后，试件C-NC-N／C-NC-Y中TC11温度分别为-136.7℃／-83.1℃，其他位置的温度变化也存在相同的规律。

分析原因，可以得出：试件C-NC-N为液氮直接接触混凝土，而试件C-NC-Y为液氮接触钢板，钢板覆盖在混凝土上方。两者的边界条件不相同，试件C-NC-N热力学边界为第三类边界条件，流体温度保持常数-196℃；而试件C-NC-Y通过钢板向混凝土传热，钢板与混凝土之间从微观的角度看并不能100%完全接触，存在一定的间隙。实际上钢板与混凝土的接触只发生在一些离散的面积元上，在未接触界面之间的间隙中，热量以空气导热的形式穿越间隙层，所以钢板与混凝土试件存在附加的传递阻力—接触热阻［9］。钢板与混凝土热量的传递是由固体之间的热传导以及空气的对流传热组成。而空气对流传热的速度远小于固体与固体之间热传导的速度，所以试件C-NC-Y传导的热量少，导致内部的温度均高于试件C-NC-N。

综上所述，在LNG储罐泄漏工况下，钢内衬的存在会影响外罐的温度场分布。

3.2 应变

图5为2h超低温冲击下C-NC-N和C-NC-Y试件侧面的应变随时间变化曲线。

图5 不同位置应变-时间曲线比较Fig.5 The comparison of strain-time curve by different position

图5 a中，试件C-NC-N应变测点S1自降温初期至600s期间受压，最大压应变为11με；600s～2400s受拉，最大拉应变为 33με；4000s～7200s受压并且压应变增大，7200s时压应变为122με。试件C-NC-Y测点S1应变随时间的变化规律与试件C-NC-N相似，但是拉压出现转换的时间点有所滞后，第一次拉压转换时间点为1800s，第二次拉压转换时间点为6600s，分别较试件C-NC-N滞后了1200s和2600s。

图5b中，试件C-NC-N和C-NC-Y应变测点S2自降温初期至300s受压，最大压应变分别为20με、33με；300s后两者压应变减小并转向受拉趋势，但试件C-NC-N在900s时开始受拉而试件C-NC-Y到3000s才开始受拉，两者趋势略有不同，7200s时试件C-NC-N与C-NC-Y的拉应变分别为67με、42με。

综上所述，试件C-NC-Y侧面应变S1／S2变化趋势基本与C-NC-N相同，区别在于最大拉压应变的数值以及时间的滞后，这与降温的快慢呈现出了相关性。试件C-NC-N的降温比C-NC-Y快，温度变化量更大，所以试件的变形发展更快。可见，钢内衬的存在会影响结构的变形。

3.3 位移

在2h泄漏孔径为100mm的超低温液体冲击下，试件因为内部温度的降低发生收缩现象，图6为试件C-NC-N与C-NC-Y两侧产生的位移及其随时间变化的曲线。

图6 试件位移-时间曲线Fig.6 Displacement-time curve

从图6中可以看出，两者都表现出三阶段的特性。以试件C-NC-N为例，0～1800s期间，位移和逐渐增大，且增大的速率变大，曲线变陡；1800～4800s期间，位移和增大的速率稳定在某一数值，曲线呈线性变化；4800s～7200s期间，位移和增大的速率减小，曲线变缓。

为评判试件变形的大小，定义试件平均应变的计算方法为：

式中：εx为水平方向平均应变；Δx＝d1+d2，d1和d2分别为千分表DG1／DG2测得的试件左右侧位移；L为千分表DG1与 DG2针头之间连线长度。

7200s时试件C-NC-N／C-NC-Y左右侧位移和分别为0.184mm／0.154mm，换算成平均应变，试件C-NC-N和C-NC-Y千分表位置处截面水平方向平均应变分别为 613με、513με，试件C-NC-N的变形大于试件C-NC-Y。

两次试验位移变化的三阶段特性与各自降温规律直接相关。试件C-NC-N比C-NC-Y降温更快且降温量更大，所以试件C-NC-N位移变化的速度及变化量均大于C-NC-Y。

根据测得的温度场和变形情况，可以得出试件的变形为两侧面往中间缩，上表面往下缩，见图7。

图7 试件变形示意Fig.7 Specimen deformation diagram

对于试件C-NC-N，变形对热力学边界条件的影响可以忽略不计，但是对于试件C-NC-Y，由于钢内衬的存在，会产生一定区别。随着降温的进行，混凝土上表面的收缩量Δy增大，钢内衬与混凝土之间的间隙增大，钢内衬与混凝土间的直接接触面积减小，导致钢内衬与混凝土之间的导热变慢，最终影响到混凝土的传热。因此，变形对于有钢内衬构造的结构会影响到热力学边界条件。

4 结论

本文通过对有无钢内衬构造的混凝土试件进行降温试验，建立平均温度梯度、平均应变等指标分析了温度、应变和位移结果，得到以下结论：

1.有钢内衬和无钢内衬试验的热力学边界条件不同，无钢内衬试验为热力学第三类边界条件，有钢内衬试件为存在接触热阻的热接触边界条件。

2.相同条件下热力学第三类边界条件热量传递的速度大于有热阻的热接触边界条件。

3.试件的变形与温度场分布直接相关，当内部温度梯度大时，试件产生变形更大。试件变形对于有钢内衬试件的传热有一定的影响。

4.对LNG混凝土储罐进行泄漏工况下温度场进行瞬态有限元分析时，建议模型中考虑钢内衬构造，并设置其与混凝土之间的热接触边界条件。

［1］Poologasingam N，Tatematsu H，Takuwa D，et al.Analysis and Design for Spill Condition of Liquefied Natural Gas Storage Tank［J］.Aci Structural Journal.2008，104（3）：297-306

［2］L.Dahmani.Thermomechanical Response of LNG Concrete Tank to Cryogenic Temperature［J］.Strength of Materials，2011，43（5）：526-531

［3］苏娟，周美珍，余建星，等.泄漏工况下大型LNG预应力混凝土储罐低温分析［J］.低温工程，2010，32（4）：47-52 Su Juan，Zhou Meizhen Yu Jianxing，et al.Low temperature analysis of LNG prestressed concrete tank for spill conditions［J］.Cryogenics，2010，32（4）：47-52

［4］杨建江，赵少萍.内罐泄漏工况下大型LNG外储罐罐壁温度作用分析［J］.特种结构，2014，31（6）：7-11 Yang Jianjiang，Zhao Shaopin.Thermal Analysis of Large-scale LNG Tanks in case of leakage of the inner tank［J］.Special Structures，2014，31（6）：7-11

［5］谢剑，李建军.超低温作用下LNG储罐热-结构耦合分析［J］.特种结构，2013，30（1）：44-47 Xie Jian，Li Jianjun.Thermal-structural Coupling Finite Element Analysis of LNG Tanks under Cryogenic Temperature［J］.Special Structures，2013，30（1）：44-47

［6］Le-Duy N，Myungbae K，Byungil C.An experimental investigation of the evaporation of cryogenic-liquid-pool spreading on concrete ground［J］.Applied Thermal Engineering，2017，123：196-204

［7］谢剑，王传星，李会杰.超低温混凝土降温回温曲线的试验研究［J］.低温建筑技术，2010，32（3）：1-3 Xie Jian，Wang Chuanxing，LiHuijie.Experimental Study on the Curve of the Temperature Reduction and Comeback in Concrete［J］.Low Temperature Architecture Technology，2010，32（3）：1-3

［8］BSEN 14620-3.Design andmanufacture of site built，vertical，cylindrical，flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated，liquefied gaseswith operating temperatures between 0℃ and-165℃—Part3：Concrete components［S］.London：BSI，2006：9-10

［9］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京：高等教育出版社，2006：67-69