LNG 储罐吊顶结构特定工况下安全性分析

2023-10-12贾廷亮黄启飞王磊魏可可李修峰

化工管理 2023年28期

贾廷亮，黄启飞，王磊，魏可可，李修峰

(1.中海油安全技术服务有限公司，天津 300457；2.中海油能源发展股份有限公司安全环保分公司，天津 300457)

0 引言

随着绿色低碳发展目标的实施，天然气等清洁能源的使用逐渐增长。近年来为了满足需求高峰，陆地大型天然气储罐数量快速增加，而储罐的安全运行对整个行业发展非常重要。吊顶作为LNG 陆地储罐绝热保冷结构组成部分，对于储罐蒸发率有着重要影响，同时吊顶位于储罐内部空间，运行期间出现结构不安全因素，需要停罐并进行维修，会造成很大的经济损失。

目前针对LNG 储罐吊顶的研究比较少，主要从吊顶设计思路、难点、整体结构，主要组成几个方面进行了分析，在此基础上对比了新型吊顶在设计技术指标上与传统吊顶之间的不同，分析了传统吊顶存在的不足，同时对传统吊顶结构在常规工况下受力进行分析，探讨了铝吊顶计算理论及力学控制方程，给出了国际上现行设计方法和值得见解的设计思路[1-4]。

本文以吊顶结构为研究对象，将吊杆失效作为一种目标工况，分析了吊杆失效最不利情况下，吊顶各组成结构应力和位移分布特征，并结合规范，对结果的安全性进行判断，给出最终结论。通过本文研究为储罐工程中吊顶设计方案及后期结构安全评价提供支持。

1 LNG 储罐吊顶结构

1.1 储罐吊顶结构组成

LNG 储罐内罐上端开口，主要通过吊顶覆盖绝热层达到绝热的功能，而吊顶目的就是提供绝热所需要的支撑，这种设计能够减少内部低温介质与外界的热量交换，从而实现绝热保冷。为了使保冷效果更佳，需要铺设更厚的保冷层，这就需要吊顶承担更大重量，防止保冷材料掉落，影响整体保冷效果。同时，吊顶还需承担自身重量和一部分活荷载[5]。

LNG 储罐吊顶结构位于内罐顶部，由吊杆、加强环和吊顶组成，吊顶通过吊杆与穹顶顶梁框架钢结构梁下翼缘连接，吊顶上分层铺设保冷材料，加强环作为铝吊顶加强结构的分环布置在吊顶上，吊杆通过加强环与吊顶连接。以20 万立方米LNG 储罐为例，吊顶的半径达到40.4 m，共设有加强环12 圈，吊杆沿环状分布，穹顶钢结构见图1。

1.2 储罐吊顶结构模型

建立吊顶结构有限模型，需要考虑真实的结构，同时为了保证计算结果准确的情况下，尽量简化，提升计算效率。分别建立吊顶和吊杆模型，其中加强环结构采用stringer 方式建立。模型中吊杆和加强环使用梁单元模型，吊顶铝板采用壳单元建模。吊杆和加强环横截面为矩形，梁单元方向需要通过旋转实现。吊顶铝板与加强环共节点，即使梁、壳作用点重合。吊杆需要单独建模，然后利用组合方式，将吊杆和加强环绑定。最后建立的有限元模型如图2 所示。

图2 吊顶结构有限元模型

1.3 吊顶施加荷载

建立吊顶整体结构有限元模型，需要设置模型的边界条件，包括位移边界和荷载。模型的位移边界通过吊杆上端施加固定边界实现。

吊顶的荷载主要是吊顶自重：自重主要包括吊杆、吊顶以及加强环的自身重量，有限元中通过施加竖向重力加速度实现。此外就是吊顶上铺设的保冷荷载，根据实际保冷荷载厚度和密度，计算出保冷结构的总重量，然后利用均布荷载施加在吊顶的上表面，本次计算的保冷荷载为240 N/m2均布面荷载。根据规范EN 14620-1 中规定除了上述荷载，还需要考虑荷载组合，需要对吊顶上活荷载进行考虑，同样通过施工均布面荷载实现，本次在铝板上表面施加的均布面荷载为500 N/m2[6]。

1.4 吊顶结构材料属性

吊顶材料选择主要根据ASTM B209M 规范，其中吊顶材料选择B209 5083-O，加强环和吊顶为同一种材料，根据规范铝板厚度为5 mm，加强环截面尺寸为200 mm×18 mm。由于吊杆承担主要荷载传递功能，采用A276Gr 304 L 作为吊杆材料，在有限元模型中吊顶结构详细材料参数见表1。

表1 吊顶结构材料参数

2 吊顶结构特定工况下受力分析

2.1 吊杆失效工况分析

本文主要考虑吊顶在发生吊杆失效情况下，吊顶各结构承担力的变化。吊杆沿着圆环分布，见图3。图中每一圈吊杆都是等距离分布，是一个对称结构，发生任何一根吊杆失效，结构受力是相同的，图中红色虚线位置为失效吊杆，由此可以进一步分析，对每一环吊杆在环向吊杆失效的影响只考虑其中一根即可。但是将12 环吊杆放在一起，就会产生一种最不利情况，就是当所有环失效吊杆位于径向同一条直线时，即穿过圆心，沿着半径方向，画出一条直线，各环失效吊杆都落在直线上。基于以上原因，后续分析考虑的就是这种最不利工况。

图3 吊杆失效工况

2.2 计算结果分析

根据2.1 节最不利工况对吊顶结构进行了有限元计算。以第5 环吊杆计算结果为例进行分析，见图4。从图中可以看出，在吊杆失效情况下，同一环吊杆最大应力发生在失效吊杆相邻侧吊杆，而靠近失效吊杆的其他吊杆应力发生变化明显，远离失效吊杆的应力变化较少，说明吊杆失效打破原有力学平衡，由失效吊杆承担的那部分力分配给了相邻吊杆，产生部分应力集中现象。

图4 吊杆应力

图5为加强环有限元计算结果，从图中可以看出，在吊杆失效的最不利工况下，加强环最大应力发生在与失效吊杆两侧与吊杆连接区域，可以看出应力重新分布，与应力较大吊杆连接加强环的应力发生明显增加，部分区域应力集中，这也说明，吊杆在此时传递力全部作用在加强环上。

图5 加强环应力

图6是吊顶的位移情况，从图中可以看出，除了环向均匀分布的位移，在位于吊杆失效区域吊顶铝板出现了较大的竖向位移，这些区域的位移也明显高于其他区域，这说明吊杆失效位置发生更大变形，进一步说明吊杆对于吊顶铝板在竖直方向上是有支撑作用的，也是一种很好的平衡。

图6 吊顶铝板位移

图7是对比分析了在吊杆失效前后，各环吊杆最大应力分布及变化情况。从图中可以看出，吊杆失效后，导致各环吊杆的最大应力增加。从图中曲线变化趋势可以看出，虽然吊杆失效，但是每一环承担作用力的比例变化较小，说明在力的平衡过程中，重新分配力的过程与前面初始平衡状态是一致的。

图7 各环吊杆最大应力

3 吊顶结构安全分析

根据规范EN14620 中5.2.1.3.1 节规定，吊杆的许用应力根据不同分析工况选择，本次计算吊杆失效的最不利工况选择吊杆的许用应力为137 MPa。

根据规范EN14620 中5.2.1.3.1 节规定，加强环许用应力要根据焊接系数的取值确定，本次计算选用对接焊，故加强环许用应力取64.2 MPa。

根据规范EN14620 中5.2.1.3.1 节规定，铝板许用应力根据焊接方式确定，当采用单面搭接焊时，铝板许用应力值取32.1 MPa。由于铝板比较薄，变形作为主要判断依据。根据GB 50429—2007 《铝合金结构设计规范》条文说明中4.4.1 节内容，同时结合工程实践经验给出的限值。对于连续的大面积结构面板，其挠度根据建筑类型有明确要求，在本次计算中吊顶铝板设定的位移限值为80 mm。

表2给出了吊顶结构在吊杆失效最不利工况下最大应力和许用应力值。从表中可以看出，吊杆最大应力为55.5 MPa，相比需用应力余量较大，说明吊杆结构是安全的。加强环最大应力值为45.4 MPa 小于64.2 MPa 的许用应力，说明加强环也是安全的。表3给出了铝吊顶最大位移，从结果可以看出，吊顶最大位移57.35 mm 小于极限位移80 mm，满足规范要求，结构是安全的。