大型LNG 储罐泄漏工况下外罐温度场分析

李 鹏

中国石油工程建设有限公司西南分公司，四川成都 610041

LNG 作为稀缺清洁资源，越来越受到世界各国的重视。近年来LNG 贸易增长迅速，对LNG 接收站的需求与日俱增[1]。LNG 大型储罐作为LNG接收站的重要建设内容之一，设计建造难度非常高，长期以来全球仅有少数几个发达国家掌握了大型LNG 全容储罐建造的核心技术[2]，直到2016年我国才开工建设了首座采用自主技术设计的16万m3全容罐。大型LNG 储罐外罐为预应力混凝土结构，LNG 为常压储存，其储存温度为-162℃。正常使用情况下，低温LNG 液体储存于金属内罐中[3]；当内罐失效时，低温LNG 液体将直接与外罐内侧接触[4]，与LNG 接触的外罐内壁和与空气接触的外壁之间将产生巨大的温度梯度。采用LUSAS有限元分析软件对LNG 大型储罐外罐进行温度场分析[5]，分析其温度分布规律，阐述温度作用的计算过程及方法，其结果可以作为预应力外罐罐体结构设计计算的输入条件，保证温度作用被充分考虑，对其结构安全有重要意义。

1 储罐温度作用研究

泄漏工况下LNG 储罐外罐的内、外壁之间产生巨大温度梯度，引起较大的温度应力，英国BS EN 14620 系列标准给出了一般性指导，并无具体计算方法。BS EN 14620-1：2006[6]第7.1.11 条规定了外罐应设置热保护系统，防止液体泄漏时产生的温度应力导致外罐开裂；第7.3.3 条规定了外罐设计时应考虑外罐被泄漏的液体逐渐填满状态下所产生的温度作用。BS EN14620-3：2006[7]第6.1节规定了外罐钢筋混凝土构件的设计不仅要考虑稳定状态下的温度变化，还要考虑瞬变状态下的温度变化。BS EN14620-4：2006[8]第1 章叙述了保温隔热系统的主要作用包含维持所要求的环境温度，以保护储罐的非低温部分/材料（主要是储罐外部）；限制储罐底部地基/土壤的冷却，避免因冻涨而损坏。因此，在外罐设计中必须考虑温度应力带来的影响。目前对于温度场的研究主要采用数值计算和实验的方法。

张云峰[9]等分析了泄漏工况下由于罐体内外温差导致的罐壁变形，认为温度作用应该作为罐体设计的控制荷载之一。于述强等[10]采用有限元分析软件建立了隔热层及外墙温度场数值模型，验证了其理论推导公式的正确性，提出了热角保护厚度设计的控制方程。王明伍等[11]采用有限元模型分析了热角保护的温度场。李海润等[12]采用ANSYS 有限元分析软件分析了罐顶、罐壁、罐底的温度场。李兆慈等[13-14]采用ANSYS 软件分析了罐体在不同环境温度及不同风速下的漏热量，建立了罐体三维稳态温度场数值计算模型，得到了罐体、罐底与罐壁连接处、罐顶与罐壁连接处的温度场分布。魏会冬、苏娟等[15-17]采用有限元法分析了16 万m3大型LNG储罐罐壁的传热特性，得到了低温作用下罐体的温度变化特性。

国外学者Rama Subba Reddy Gorla[18]采用有限元软件对罐体应力的影响因素进行分析，认为温度应力是影响罐体应力的重要因素，提出了减小温度应力的方法。Khemis 等[19]研究了低温储罐的传热方式。Dahmanil[20]等研究了混凝土在低温反复冻融作用下的性能变化及原因。Chen 等[21]对低温储罐内的温度和压力变化进行了分析。

2 外罐温度场计算模型

2.1 有限元模型

本文以20 万m3大型全容罐为例，采用2D 轴对称实体单元模拟整个罐体，单元总数为24 668 个。模型材料包含混凝土（底板、罐壁、穹顶和环梁）、找平层混凝土、泡沫玻璃砖（HLB800 和HLB 1600）、膨胀珍珠岩、弹性毡、干砂和吊顶玻璃棉等[22]。罐体主要尺寸：外罐内壁直径89 m，罐壁高度39 m，外罐壁厚0.9 m；罐顶混凝土等厚部分为0.5 m，边缘增厚到1.6 m；支撑罐体的圆形底板半径为47.6 m，底板边缘厚度为1.3 m，中间部分厚度为1.1 m，底板与地面有一段空隙，其中底板边缘下表面离地面的高度为1.3 m，底板中间部分下表面离地面高度为1.5 m，整个罐体由400 根桩径为1.4 m 的桩基础支撑，桩基础均匀分布在底板上。罐体角部设置有热角保护系统。罐体模型、几何尺寸及材料定义如图1 所示。

图1 罐体模型、几何尺寸及材料定义

2.2 材料属性

罐体采用的混凝土及各种保冷材料的导热系数随温度的变化而变化，参考LUSAS 软件公司所收集的各个厂商的产品资料，得到各种保冷材料不同温度下的导热系数（见表1～6）。干砂的导热系数为0.6 W/（m·℃）。

表1 不同温度下混凝土导热系数

2.3 条件设定

温度场的计算基于以下假设：LNG 各液位下的温度为其静压力下的饱和温度，储罐内蒸发气的温度为-165℃；混凝土罐体及各保冷材料为各向同性；忽略各种材料的之间的接触热阻；小泄漏、中泄漏和全泄漏工况的泄漏高度分别为5、11、35.8m；正常运行工况下，保温材料内壁作用低温取-165℃，混凝土罐体外部作用有大气温度，夏季取大气温度为40.9℃，冬季取大气温度为-15.4℃；大气温度作用在混凝土承台底部，夏季取大气温度为35℃，冬季取大气温度为-21.3℃。在吊顶玻璃棉与穹顶之间有空气间隙，定义温度间隙属性来模拟温度在此之间的热传递。计算时取空气的对流换热系数为 20W/（ m2·K）[14]。

泄漏工况下混凝土罐体外部温度同大气温度，夏季和冬季两种季节下的大气温度同正常运行工况。在不同的工况下LNG 低温条件施加的位置不同。正常运行工况下，LNG 低温条件施加到底板第一层混凝土找平层上表面、罐壁保温材料内表面和吊顶保温材料下表面。泄漏工况下，罐底LNG液体已经渗透第一层混凝土找平层，应施加到泡沫玻璃砖顶部；吊顶部分仍然施加到保温材料下表面；罐壁部分，在泄漏高度以下部分保冷材料已经破坏，低温应施加到混凝土罐壁内侧和热角保护上，在泄漏高度以上部分，低温仍然施加到保温材料内表面。

表2 不同温度下泡沫玻璃砖HLB800导热系数

表3 不同温度下泡沫玻璃砖HLB1600导热系数

表4 不同温度下膨胀珍珠岩导热系数

表5 不同温度下弹性毡导热系数

表6 不同温度下吊顶玻璃棉导热系数

3 有限元模型计算结果

采用LUSAS 有限元分析软件进行非线性稳态热分析，计算出在不同持续时间、不同工况下混凝土外罐罐壁的温度分布，包括夏、冬两季正常运行、小泄漏、中泄漏、全泄漏共8 个工况。

图2 为夏季正常运行工况温度分布云图。从图2 可看出：夏季正常运行工况下罐壁、吊顶及罐底内外温度变化均匀，较大温度变化主要集中在各层保冷材料部位，说明保冷材料起到了隔绝低温的作用，得益于保冷材料的使用，使得混凝土层温度变化很小，有效地减少了混凝土内的温度应力。在罐底角部温度分布稍复杂，但总体温度分布是均匀的。

图2 夏季正常运行工况温度分布云图/℃

从图3 ～6 可看出，夏季罐壁保冷材料失效后，混凝土层温度急剧变化，混凝土外表面降温明显。

图3 夏季小泄漏工况温度分布云图/℃

图4 夏季中泄漏工况温度分布云图/℃

图5 夏季全泄漏工况温度分布云图/℃

小泄漏工况下，混凝土罐壁的外表面温度达到-5.545℃，内外温差为159.455℃；中泄漏工况下，混凝土罐壁外表面达到-15.552℃，内外温差为149.448℃；全泄漏工况下，混凝土罐壁外表面达到-15.566℃，内外温差为149.434℃。由以上结果可看出，在后期结构计算时应特别注意小泄漏工况下的温度应力。由于采用了热角保护系统，角部温度变化仍然较为均匀，有效减小了该处混凝土的温度变化幅度，使角部不会产生较大的温度应力。虽然罐底找平层失效，低温直接作用于泡沫玻璃砖顶部，但是罐底温度变化较为均匀，与夏季正常运行工况下的温度变化基本一致，这是由于混凝土找平层导热系数较大，找平层失效前后温度分布无太大变化而产生的后果。虽然采用了热角保护系统，使温度不会急剧变化，但罐底角部的温度分布较其他部分更为复杂。

图7 为冬季正常运行工况温度分布云图。从图7 可看出：冬季正常运行工况与夏季正常运行工况的温度分布变化不大，整体情况与夏季相同。区别是混凝土层的温度变化幅度比夏季的更小，主要原因是冬季外部的温度更低，而罐壁内的温度是不变的，使得罐壁内外温差缩小了，较小的温度应力对结构的影响不大。

图7 冬季正常运行工况温度分布云图/℃

从图8 ～11 可看出，冬季罐壁保冷材料失效后，混凝土层温度急剧变化，混凝土外表面降温明显，小泄漏工况下混凝土罐壁外表面达到-50.209℃，内外温差为114.791℃；中泄漏工况下混凝土罐壁外表面达到-57.864℃，内外温差为107.136℃；全泄漏工况下混凝土罐壁外表面达到-57.889℃，内外温差为107.111℃。由于冬季的外部温度低于夏季，而罐壁内部的温度并未变化，使得冬季各个工况的罐壁内外温度变化均小于夏季，由此可知冬季各工况下的混凝土罐壁温度应力小于夏季各工况下的温度应力。

图8 冬季小泄漏工况温度分布云图/℃

图9 冬季中泄漏工况温度分布云图/℃

图10 冬季全泄漏工况温度分布云图/℃

图11 冬季4 个工况下的罐壁温度分布

4 结论

采用LUSAS 有限元软件进行二维稳态热分析，得出预应力混凝土外罐温度分布情况。

夏、冬两季正常运行工况下温度变化分布均匀，温度变化幅度均较小，夏季4 个工况下的预应力钢筋混凝土罐壁的温度变化整体大于冬季4 个工况下的预应力钢筋混凝土罐壁的温度变化，造成夏季的混凝土罐壁温度应力较大，特别是夏季小泄漏工况下温差达到了最大值，应将此工况作为温度应力的控制工况进行后期的罐壁混凝土及配筋计算。

热角保护系统能够有效地抵御泄漏工况下低温作用对罐壁底部的影响，从而减小罐壁向内收缩在罐壁底部产生的弯矩，可根据实际罐壁混凝土和预应力筋的受力调整热角保护系统的高度。

罐底角部的温度分布较为复杂，在进行罐体设计时应特别注意此处的温度应力。

热分析考虑了夏季和冬季两个季节。每个季节分别考虑了四个工况：正常运行、小泄漏、中泄漏和全泄漏。计算出了每个工况下混凝土穹顶、罐壁、承台以及保温材料中的温度分布，这些分析结果在随后的结构计算模型中可以作为温度作用条件输入使用。