LNG储罐温度场数值模拟及实测差异分析

2020-04-01范嘉堃陈团海许佳伟周树辉杨亮安东雨

石油和化工设备 2020年3期

范嘉堃，陈团海，许佳伟，周树辉，杨亮，安东雨

（中海石油气电集团有限责任公司，北京 100028）

LNG储罐与常规油气存储装置的主要区别在于LNG储罐具有特殊的保冷结构设计，用于保持蒸发率低于特定的限度，保护储罐的非低温部件/材料（主要是储罐外部），使其处于所要求的环境温度下，限制储罐底部的基础/土壤冷却避免因冻胀而损坏，防止和尽可能减少储罐外部表面的水蒸气冷凝和结冰。

保冷结构主要分为罐底保冷、罐壁保冷和吊顶保冷三部分。如图1所示，罐底保冷材料主要采用具有一定承压能力的泡沫玻璃砖，每层泡沫玻璃之间要布置一层沥青毡防潮层。罐壁环形空间保冷层由弹性毡和膨胀珍珠岩粉末组成，弹性毡紧贴内罐壁板，弹性毡主要用于吸收来自背部珍珠岩粉末的压力。吊顶保冷材料主要是玻璃棉，需给出足够的厚度富余量，确保达到保冷效果所需厚度。

图1 预应力混凝土外罐全容罐罐底绝热系统典型结构示意图

1 LNG储罐有限元热分析

由于LNG储罐特殊的保冷结构，对于LNG储罐进行热分析是有必要的。针对LNG储罐进行热分析的目的在于计算出在各个不同工况下罐体的温度分布，然后把温度分布作为外荷载，施加到结构模型中进行应力分析。

本文采用通用有限元软件ANSYS对储罐进行热分析，使用二维轴对称热单元模拟整个罐体，包括混凝土罐底、罐壁和穹顶、混凝土找平层和低温环梁、内罐底部和热角保护中的HLB800泡沫玻璃砖、低温环梁下的HLB1200泡沫玻璃砖、内外罐环形空间内的膨胀珍珠岩和弹性毡、内罐吊顶玻璃棉等，基本涵盖了所有罐底、罐壁、吊顶保冷材料。9%Ni钢和不锈钢的厚度较薄，热传导系数远大于混凝土和保温材料，不考虑其热传导性能。储罐底部的基础以热传导的形式参与热量传递。

图2 储罐的热分析模型

本文采用二维轴对称8 节点实体单元（Plane77）建立如图2所示的储罐热分析模型，此模型假设结构、荷载和边界条件是轴对称的。

边界条件考虑温度荷载、环境温度、空气对流、太阳辐射和边界条件。采用二维热分析模型，考虑材料热力学参数的非线性特征，计算出混凝土外罐壁在不同工况下的温度分布情况。

图3 热分析边界条件

正常运行时，-168℃低温作用在保温材料内壁上。发生泄漏时，-168℃低温LNG液体作用在内罐底板和壁板、泄漏高度以上的罐壁和吊顶保温材料上。在泄漏高度以下，假设罐壁保温材料完全失效，低温LNG液体逐渐渗透保温层，作用在混凝土罐壁内侧和热角保护上，但不穿透二层底和热角保护系统。

夏季取环境温度为39℃，冬季环境温度为1℃。罐体（包括罐底）的外表面温度取值定义环境温度，环境温度在正常运行工况和泄漏工况保持不变。

外罐罐壁与周围环境之间以空气对流传热的方式进行热量传递。空气的对流换热系数与环境温度、风速等因素有关，在本次计算中室温时的对流换热系数取为6～7W/(m2·K)，-100℃时取2.1W/(m2·K)，中间温度按照线性插值。

辐射对混凝土顶及穹顶空间内的温度有较大的影响，进行热分析时考虑吊顶上表面与穹顶内表面之间的热量传递为面面辐射传热。辐射计算时黑体辐射常数取5.67×10-8W/(m2·K4)，辐射率根据材料的不同取0.75～0.95。

热分析工况主要包括正常操作工况和泄漏工况，泄漏工况又可根据环境温度及泄漏程度的不同分为不同的子工况，故计算结果共分为8个工况，分别为夏季正常运行工况、冬季正常运行工况、夏季轻度泄漏工况、冬季轻度泄漏工况、夏季中度泄漏工况、冬季中度泄漏工况、夏季全泄漏工况、冬季全泄漏工况。各工况温度分析结果如下。

图4(a) 外罐正常运行工况温度分布云图（夏季，℃）

图4(b) 外罐正常运行工况温度分布云图（冬季，℃）

图5(a) 轻度泄漏工况外罐温度分布云图（夏季，℃）

图5(b) 轻度泄漏工况外罐温度分布云图（冬季，℃）

图6(a) 中度泄漏工况外罐温度分布云图（夏季，℃）

图6(b) 中度泄漏工况外罐温度分布云图（冬季，℃）

图7(a) 全泄漏工况外罐温度分布云图（夏季，℃）

图7(b) 全泄漏工况外罐温度分布云图（冬季，℃）

由于不同季节的环境温度存在很大差异，热分析时主要考虑了冬季和夏季两种情况，每个季节考虑了三种泄漏情况：轻度泄漏、中度泄漏和全泄漏。通过热分析模型计算出每种泄漏状况下，混凝土穹顶、罐壁、承台、保温材料和储罐基础的温度分布，这些温度分布在三维有限元结构分析的泄漏与其他荷载组合工况分析中作为温度输入荷载条件被使用。

从泄漏工况下的温度云图可以看出，外罐壁底部的热角保护系统，能够有效地抵御泄漏工况下低温向罐壁底部的传递。储罐的整体保冷结构的设计是充分合理的，不但考虑了正常工况，也考虑了泄漏工况，但仅凭借有限元的模拟结果尚不足以完全证明热分析的有效性。

2 LNG储罐保冷结构有限元热分析结果验证

本文在有限元热分析的基础上，针对储罐的温度数据进行了实地采集。基于某LNG接收站XX储罐红外测温下温度（几个典型季节、湿度环境下参数），对运行后有限元热分析结果进行对比和分析。检测环境工况：阴天无太阳光干扰，气温26℃，相对湿度86%，微风。

按照图8 所示的罐底拍摄位置示意图，P45～P46柱中间开始沿对称轴线至P15～P16柱中间结束，分别拍摄红外热图像，测量一组A区域的平均温度值，共采集记录43组温度数据，温度-距离实测曲线如图9所示。

图8 罐底拍摄位置示意图

图9 罐底实测温度分布图

承台模拟结果一共分为三段，中心桩位置的承台底部标高较高，圈桩位置的承台底部标高较低，两者过渡段的承台标高成线性梯度变化，本文分别对三段进行了结果提取，如图10至图12所示。

图10 承台底部前半段正常运行工况温度-距离曲线（夏季，℃）

图11 承台底部过渡段正常运行工况温度-距离曲线（夏季，℃）

图12 承台底部后半段正常运行工况温度-距离曲线（夏季，℃）

图13 罐底实际模拟温度对比分布图

本文根据三段模拟结果提取的数据进行了整合，与实测温度结果对比，可以看出有限元模拟出来的罐底温度对比实际温度的趋势基本一致，原因是由于承台边缘厚度比中心部分厚度更大，绝热效果相较中心部分更好，且靠近墙体外侧为非低温范围，温度更接近环境温度。

图14 罐顶实测温度分布图

以靠近旋转梯的罐顶底部作为拍摄的起始点，沿跨越罐顶中心的轴线每间隔2m拍摄一幅红外热图像，测量一组A区域的平均温度值，共采集记录45组温度数据，见图15。

图15 罐顶实测温度分布图

穹顶模拟结果一共分为三段，穹顶弧线段整体成圆弧型，穹顶环梁段为直线段，两者过渡段的穹顶过渡段成线性梯度变化，本文分别对三段进行了结果提取，如图16至图18所示。

图16 穹顶弧线段正常运行工况温度-距离曲线（夏季，℃）

图17 穹顶直线段正常运行工况温度-距离曲线（夏季，℃）

图18 穹顶环梁段正常运行工况温度-距离曲线（夏季，℃）

图19 罐顶模拟温度分布图

根据三段模拟结果提取的数据进行了整合，与实测温度结果对比，可以看出有限元模拟出的罐顶温度对比实际温度的趋势相差较小，原因是由于有限元分析未考虑罐顶阴面和阳面的区别。整体罐顶温度浮动范围实测值与模拟值一致，无显著波动。

图20 罐壁拍摄位置示意图

按照图20所示的罐壁拍摄位置示意图，旋转梯位置距离罐底0.2m高度开始，向上每隔2m拍摄一幅红外热图像，测量一组A区域的平均温度值，共采集记录20组温度数据。

图21 罐壁实测温度分布图

图22 罐底实际模拟温度对比分布图

根据模拟结果提取的数据进行了整合，与实测温度结果对比，可以看出有限元模拟出来的罐壁温度对比实际温度的趋势相差较大，原因是由于有限元分析未考虑珍珠岩沉降的部分。若考虑珍珠岩沉降因素，墙体上部应当与实际温度一致，而非接近环境温度。

3 珍珠岩沉降分析

根据保冷与温度场分析对比结果，得知有限元模拟出来的罐壁温度对比实际温度的趋势相差较大，原因是由于有限元分析未考虑珍珠岩沉降的部分。随着LNG储罐运营年份不断增长，珍珠岩沉降范围日益扩大，其外罐壁局部漏热现象愈发显著。本文实测储罐数据为运行若干年的在役储罐，储罐珍珠岩已经部分发生沉降的可能性很大。

初步判断其产生的原因，是由于环形空间内的珍珠岩发生沉降，导致环形空间保温层的保温性降低，内罐中的LNG低温传递至外罐内壁，造成外罐外壁局部温差，从而导致实验温度和实测温度不一致。

本热分析仅考虑LNG储罐正常运行工况。假设珍珠岩是局部均匀水平沉降的，分别建立以下三种不同沉降程度的模型进行分析计算（注：沉降程度以吊顶底部高度附近为基准）。

（1）模型一：零沉降

未发生珍珠岩沉降的情况下，混凝土外罐外壁最低温度29.92℃，内壁内罐等高处约-28.8℃，与周边环境温度（30.5℃）的温差控制在2℃左右。说明环形空间上部的珍珠岩、纤维毡和吊顶玻璃棉能够起到很好的隔热保温作用，混凝土外墙和环境温度差别不大，未受到内部LNG液体的低温冲击。

注：混凝土外罐的温度数值受到内罐温度、环境温度、风速、风向、时间点等各种因素的综合影响，因此无法精确得到此数值的绝对值，分析时应重点关注内外壁的温差（受外部传热条件的影响较小）。

注：紫色表示此部分已无珍珠岩

图23 热分析云图-模型1

（2）模型二：沉降到与吊顶顶面齐平

图24 热分析云图-模型2

当珍珠岩沉降到与吊顶顶面齐平时，混凝土外罐上部内外壁温度与无沉降情形差别不大，说明该沉降程度还未导致低温的泄漏。

（3）模型三：沉降至基准线以下0.5m处

当珍珠岩沉降到基准线以下0.5m处时，紫色圆圈部分的外罐内壁持续受到低温影响，最低温度22.9℃，对应的外壁温度约28.2℃，与漏冷温度（28.4℃）相近，漏冷的大小和高度与实测相近。

图25 热分析云图-模型3

分析认为，由于储罐在进行装船和卸船时，罐内压力发生较大变化，加大了沉降空间内低温BOG（boiled off gas）气体的剧烈流动，从而增大BOG气体的对流传热效应。而当珍珠岩沉降至低温泄漏面（基准高度）以下时，该效应将促使内罐中的LNG冷量快速传递至外罐内壁，使得该区域的局部温度急剧下降至零下70℃甚至更低，增加吊顶高度附近的外罐衬里板、外罐混凝土和钢筋处于低温环境的风险。由于外墙衬里板（S275J2）在低于零下20℃后，其韧性将大幅下降，变形能力难以保障。且在该区域未配置低温钢筋，如冷量传递至外罐将会对LNG储罐结构的安全性带来隐患。