LNG儲(chǔ)罐溫度場數(shù)值模擬及實(shí)測差異分析

范嘉堃，陳團(tuán)海，許佳偉，周樹輝，楊亮，安東雨

（中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100028）

LNG儲(chǔ)罐與常規(guī)油氣存儲(chǔ)裝置的主要區(qū)別在于LNG儲(chǔ)罐具有特殊的保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用于保持蒸發(fā)率低于特定的限度，保護(hù)儲(chǔ)罐的非低溫部件/材料（主要是儲(chǔ)罐外部），使其處于所要求的環(huán)境溫度下，限制儲(chǔ)罐底部的基礎(chǔ)/土壤冷卻避免因凍脹而損壞，防止和盡可能減少儲(chǔ)罐外部表面的水蒸氣冷凝和結(jié)冰。

保冷結(jié)構(gòu)主要分為罐底保冷、罐壁保冷和吊頂保冷三部分。如圖1所示，罐底保冷材料主要采用具有一定承壓能力的泡沫玻璃磚，每層泡沫玻璃之間要布置一層瀝青氈防潮層。罐壁環(huán)形空間保冷層由彈性氈和膨脹珍珠巖粉末組成，彈性氈緊貼內(nèi)罐壁板，彈性氈主要用于吸收來自背部珍珠巖粉末的壓力。吊頂保冷材料主要是玻璃棉，需給出足夠的厚度富余量，確保達(dá)到保冷效果所需厚度。

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土外罐全容罐罐底絕熱系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意圖

1 LNG儲(chǔ)罐有限元熱分析

由于LNG儲(chǔ)罐特殊的保冷結(jié)構(gòu)，對于LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行熱分析是有必要的。針對LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行熱分析的目的在于計(jì)算出在各個(gè)不同工況下罐體的溫度分布，然后把溫度分布作為外荷載，施加到結(jié)構(gòu)模型中進(jìn)行應(yīng)力分析。

本文采用通用有限元軟件ANSYS對儲(chǔ)罐進(jìn)行熱分析，使用二維軸對稱熱單元模擬整個(gè)罐體，包括混凝土罐底、罐壁和穹頂、混凝土找平層和低溫環(huán)梁、內(nèi)罐底部和熱角保護(hù)中的HLB800泡沫玻璃磚、低溫環(huán)梁下的HLB1200泡沫玻璃磚、內(nèi)外罐環(huán)形空間內(nèi)的膨脹珍珠巖和彈性氈、內(nèi)罐吊頂玻璃棉等，基本涵蓋了所有罐底、罐壁、吊頂保冷材料。9%Ni鋼和不銹鋼的厚度較薄，熱傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)大于混凝土和保溫材料，不考慮其熱傳導(dǎo)性能。儲(chǔ)罐底部的基礎(chǔ)以熱傳導(dǎo)的形式參與熱量傳遞。

圖2 儲(chǔ)罐的熱分析模型

本文采用二維軸對稱8 節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元（Plane77）建立如圖2所示的儲(chǔ)罐熱分析模型，此模型假設(shè)結(jié)構(gòu)、荷載和邊界條件是軸對稱的。

邊界條件考慮溫度荷載、環(huán)境溫度、空氣對流、太陽輻射和邊界條件。采用二維熱分析模型，考慮材料熱力學(xué)參數(shù)的非線性特征，計(jì)算出混凝土外罐壁在不同工況下的溫度分布情況。

圖3 熱分析邊界條件

正常運(yùn)行時(shí)，-168℃低溫作用在保溫材料內(nèi)壁上。發(fā)生泄漏時(shí)，-168℃低溫LNG液體作用在內(nèi)罐底板和壁板、泄漏高度以上的罐壁和吊頂保溫材料上。在泄漏高度以下，假設(shè)罐壁保溫材料完全失效，低溫LNG液體逐漸滲透保溫層，作用在混凝土罐壁內(nèi)側(cè)和熱角保護(hù)上，但不穿透二層底和熱角保護(hù)系統(tǒng)。

夏季取環(huán)境溫度為39℃，冬季環(huán)境溫度為1℃。罐體（包括罐底）的外表面溫度取值定義環(huán)境溫度，環(huán)境溫度在正常運(yùn)行工況和泄漏工況保持不變。

外罐罐壁與周圍環(huán)境之間以空氣對流傳熱的方式進(jìn)行熱量傳遞。空氣的對流換熱系數(shù)與環(huán)境溫度、風(fēng)速等因素有關(guān)，在本次計(jì)算中室溫時(shí)的對流換熱系數(shù)取為6～7W/(m2·K)，-100℃時(shí)取2.1W/(m2·K)，中間溫度按照線性插值。

輻射對混凝土頂及穹頂空間內(nèi)的溫度有較大的影響，進(jìn)行熱分析時(shí)考慮吊頂上表面與穹頂內(nèi)表面之間的熱量傳遞為面面輻射傳熱。輻射計(jì)算時(shí)黑體輻射常數(shù)取5.67×10-8W/(m2·K4)，輻射率根據(jù)材料的不同取0.75～0.95。

熱分析工況主要包括正常操作工況和泄漏工況，泄漏工況又可根據(jù)環(huán)境溫度及泄漏程度的不同分為不同的子工況，故計(jì)算結(jié)果共分為8個(gè)工況，分別為夏季正常運(yùn)行工況、冬季正常運(yùn)行工況、夏季輕度泄漏工況、冬季輕度泄漏工況、夏季中度泄漏工況、冬季中度泄漏工況、夏季全泄漏工況、冬季全泄漏工況。各工況溫度分析結(jié)果如下。

圖4(a) 外罐正常運(yùn)行工況溫度分布云圖（夏季，℃）

圖4(b) 外罐正常運(yùn)行工況溫度分布云圖（冬季，℃）

圖5(a) 輕度泄漏工況外罐溫度分布云圖（夏季，℃）

圖5(b) 輕度泄漏工況外罐溫度分布云圖（冬季，℃）

圖6(a) 中度泄漏工況外罐溫度分布云圖（夏季，℃）

圖6(b) 中度泄漏工況外罐溫度分布云圖（冬季，℃）

圖7(a) 全泄漏工況外罐溫度分布云圖（夏季，℃）

圖7(b) 全泄漏工況外罐溫度分布云圖（冬季，℃）

由于不同季節(jié)的環(huán)境溫度存在很大差異，熱分析時(shí)主要考慮了冬季和夏季兩種情況，每個(gè)季節(jié)考慮了三種泄漏情況：輕度泄漏、中度泄漏和全泄漏。通過熱分析模型計(jì)算出每種泄漏狀況下，混凝土穹頂、罐壁、承臺(tái)、保溫材料和儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的溫度分布，這些溫度分布在三維有限元結(jié)構(gòu)分析的泄漏與其他荷載組合工況分析中作為溫度輸入荷載條件被使用。

從泄漏工況下的溫度云圖可以看出，外罐壁底部的熱角保護(hù)系統(tǒng)，能夠有效地抵御泄漏工況下低溫向罐壁底部的傳遞。儲(chǔ)罐的整體保冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是充分合理的，不但考慮了正常工況，也考慮了泄漏工況，但僅憑借有限元的模擬結(jié)果尚不足以完全證明熱分析的有效性。

2 LNG儲(chǔ)罐保冷結(jié)構(gòu)有限元熱分析結(jié)果驗(yàn)證

本文在有限元熱分析的基礎(chǔ)上，針對儲(chǔ)罐的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)地采集。基于某LNG接收站XX儲(chǔ)罐紅外測溫下溫度（幾個(gè)典型季節(jié)、濕度環(huán)境下參數(shù)），對運(yùn)行后有限元熱分析結(jié)果進(jìn)行對比和分析。檢測環(huán)境工況：陰天無太陽光干擾，氣溫26℃，相對濕度86%，微風(fēng)。

按照圖8 所示的罐底拍攝位置示意圖，P45～P46柱中間開始沿對稱軸線至P15～P16柱中間結(jié)束，分別拍攝紅外熱圖像，測量一組A區(qū)域的平均溫度值，共采集記錄43組溫度數(shù)據(jù)，溫度-距離實(shí)測曲線如圖9所示。

圖8 罐底拍攝位置示意圖

圖9 罐底實(shí)測溫度分布圖

承臺(tái)模擬結(jié)果一共分為三段，中心樁位置的承臺(tái)底部標(biāo)高較高，圈樁位置的承臺(tái)底部標(biāo)高較低，兩者過渡段的承臺(tái)標(biāo)高成線性梯度變化，本文分別對三段進(jìn)行了結(jié)果提取，如圖10至圖12所示。

圖10 承臺(tái)底部前半段正常運(yùn)行工況溫度-距離曲線（夏季，℃）

圖11 承臺(tái)底部過渡段正常運(yùn)行工況溫度-距離曲線（夏季，℃）

圖12 承臺(tái)底部后半段正常運(yùn)行工況溫度-距離曲線（夏季，℃）

圖13 罐底實(shí)際模擬溫度對比分布圖

本文根據(jù)三段模擬結(jié)果提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行了整合，與實(shí)測溫度結(jié)果對比，可以看出有限元模擬出來的罐底溫度對比實(shí)際溫度的趨勢基本一致，原因是由于承臺(tái)邊緣厚度比中心部分厚度更大，絕熱效果相較中心部分更好，且靠近墻體外側(cè)為非低溫范圍，溫度更接近環(huán)境溫度。

圖14 罐頂實(shí)測溫度分布圖

以靠近旋轉(zhuǎn)梯的罐頂?shù)撞孔鳛榕臄z的起始點(diǎn)，沿跨越罐頂中心的軸線每間隔2m拍攝一幅紅外熱圖像，測量一組A區(qū)域的平均溫度值，共采集記錄45組溫度數(shù)據(jù)，見圖15。

圖15 罐頂實(shí)測溫度分布圖

穹頂模擬結(jié)果一共分為三段，穹頂弧線段整體成圓弧型，穹頂環(huán)梁段為直線段，兩者過渡段的穹頂過渡段成線性梯度變化，本文分別對三段進(jìn)行了結(jié)果提取，如圖16至圖18所示。

圖16 穹頂弧線段正常運(yùn)行工況溫度-距離曲線（夏季，℃）

圖17 穹頂直線段正常運(yùn)行工況溫度-距離曲線（夏季，℃）

圖18 穹頂環(huán)梁段正常運(yùn)行工況溫度-距離曲線（夏季，℃）

圖19 罐頂模擬溫度分布圖

根據(jù)三段模擬結(jié)果提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行了整合，與實(shí)測溫度結(jié)果對比，可以看出有限元模擬出的罐頂溫度對比實(shí)際溫度的趨勢相差較小，原因是由于有限元分析未考慮罐頂陰面和陽面的區(qū)別。整體罐頂溫度浮動(dòng)范圍實(shí)測值與模擬值一致，無顯著波動(dòng)。

圖20 罐壁拍攝位置示意圖

按照圖20所示的罐壁拍攝位置示意圖，旋轉(zhuǎn)梯位置距離罐底0.2m高度開始，向上每隔2m拍攝一幅紅外熱圖像，測量一組A區(qū)域的平均溫度值，共采集記錄20組溫度數(shù)據(jù)。

圖21 罐壁實(shí)測溫度分布圖

圖22 罐底實(shí)際模擬溫度對比分布圖

根據(jù)模擬結(jié)果提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行了整合，與實(shí)測溫度結(jié)果對比，可以看出有限元模擬出來的罐壁溫度對比實(shí)際溫度的趨勢相差較大，原因是由于有限元分析未考慮珍珠巖沉降的部分。若考慮珍珠巖沉降因素，墻體上部應(yīng)當(dāng)與實(shí)際溫度一致，而非接近環(huán)境溫度。

3 珍珠巖沉降分析

根據(jù)保冷與溫度場分析對比結(jié)果，得知有限元模擬出來的罐壁溫度對比實(shí)際溫度的趨勢相差較大，原因是由于有限元分析未考慮珍珠巖沉降的部分。隨著LNG儲(chǔ)罐運(yùn)營年份不斷增長，珍珠巖沉降范圍日益擴(kuò)大，其外罐壁局部漏熱現(xiàn)象愈發(fā)顯著。本文實(shí)測儲(chǔ)罐數(shù)據(jù)為運(yùn)行若干年的在役儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐珍珠巖已經(jīng)部分發(fā)生沉降的可能性很大。

初步判斷其產(chǎn)生的原因，是由于環(huán)形空間內(nèi)的珍珠巖發(fā)生沉降，導(dǎo)致環(huán)形空間保溫層的保溫性降低，內(nèi)罐中的LNG低溫傳遞至外罐內(nèi)壁，造成外罐外壁局部溫差，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)溫度和實(shí)測溫度不一致。

本熱分析僅考慮LNG儲(chǔ)罐正常運(yùn)行工況。假設(shè)珍珠巖是局部均勻水平沉降的，分別建立以下三種不同沉降程度的模型進(jìn)行分析計(jì)算（注：沉降程度以吊頂?shù)撞扛叨雀浇鼮榛鶞?zhǔn)）。

（1）模型一：零沉降

未發(fā)生珍珠巖沉降的情況下，混凝土外罐外壁最低溫度29.92℃，內(nèi)壁內(nèi)罐等高處約-28.8℃，與周邊環(huán)境溫度（30.5℃）的溫差控制在2℃左右。說明環(huán)形空間上部的珍珠巖、纖維氈和吊頂玻璃棉能夠起到很好的隔熱保溫作用，混凝土外墻和環(huán)境溫度差別不大，未受到內(nèi)部LNG液體的低溫沖擊。

注：混凝土外罐的溫度數(shù)值受到內(nèi)罐溫度、環(huán)境溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、時(shí)間點(diǎn)等各種因素的綜合影響，因此無法精確得到此數(shù)值的絕對值，分析時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)外壁的溫差（受外部傳熱條件的影響較?。?。

注：紫色表示此部分已無珍珠巖

圖23 熱分析云圖-模型1

（2）模型二：沉降到與吊頂頂面齊平

圖24 熱分析云圖-模型2

當(dāng)珍珠巖沉降到與吊頂頂面齊平時(shí)，混凝土外罐上部內(nèi)外壁溫度與無沉降情形差別不大，說明該沉降程度還未導(dǎo)致低溫的泄漏。

（3）模型三：沉降至基準(zhǔn)線以下0.5m處

當(dāng)珍珠巖沉降到基準(zhǔn)線以下0.5m處時(shí)，紫色圓圈部分的外罐內(nèi)壁持續(xù)受到低溫影響，最低溫度22.9℃，對應(yīng)的外壁溫度約28.2℃，與漏冷溫度（28.4℃）相近，漏冷的大小和高度與實(shí)測相近。

圖25 熱分析云圖-模型3

分析認(rèn)為，由于儲(chǔ)罐在進(jìn)行裝船和卸船時(shí)，罐內(nèi)壓力發(fā)生較大變化，加大了沉降空間內(nèi)低溫BOG（boiled off gas）氣體的劇烈流動(dòng)，從而增大BOG氣體的對流傳熱效應(yīng)。而當(dāng)珍珠巖沉降至低溫泄漏面（基準(zhǔn)高度）以下時(shí)，該效應(yīng)將促使內(nèi)罐中的LNG冷量快速傳遞至外罐內(nèi)壁，使得該區(qū)域的局部溫度急劇下降至零下70℃甚至更低，增加吊頂高度附近的外罐襯里板、外罐混凝土和鋼筋處于低溫環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。由于外墻襯里板（S275J2）在低于零下20℃后，其韌性將大幅下降，變形能力難以保障。且在該區(qū)域未配置低溫鋼筋，如冷量傳遞至外罐將會(huì)對LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的安全性帶來隱患。

4 結(jié)論

采用有限元分析模型針對LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行整體熱分析，同時(shí)重點(diǎn)針對罐壁保冷結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對環(huán)形空間珍珠巖沉降的進(jìn)行局部計(jì)算和研究，結(jié)果如下：

（1）LNG儲(chǔ)罐的有限元熱分析結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果吻合，其溫度場結(jié)果可以廣泛進(jìn)行使用如對于BOG蒸發(fā)量的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行檢測，作為三維有限元結(jié)構(gòu)分析的溫度輸入荷載條件，對于儲(chǔ)罐整體運(yùn)維性能進(jìn)行評價(jià)。

（2）當(dāng)珍珠巖發(fā)生輕度沉降，即珍珠巖保持覆蓋在吊頂?shù)撞恳陨蠒r(shí)，環(huán)形空間上部的珍珠巖、彈性氈和吊頂玻璃棉能夠起到良好的隔熱保溫作用，對LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)安全性及BOG蒸發(fā)量影響較小。

（3）當(dāng)珍珠巖出現(xiàn)重度沉降，即珍珠巖覆蓋面低于吊頂?shù)撞繒r(shí)，儲(chǔ)罐保冷性能下降，內(nèi)罐冷量持續(xù)外泄，BOG蒸發(fā)率不斷增大。甚至突破0.05wt%/day的設(shè)計(jì)限值，對LNG儲(chǔ)罐運(yùn)行有不利影響。為此，需對LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行珍珠巖在線補(bǔ)填，緩解LNG儲(chǔ)罐珍珠巖沉降，提高LNG儲(chǔ)罐保冷性能。

對于新建儲(chǔ)罐需要運(yùn)用有限元熱分析結(jié)果進(jìn)行整體熱固耦合分析，對于在役儲(chǔ)罐需要進(jìn)行有限元熱分析進(jìn)行整體性能評價(jià)。建議對熱分析結(jié)果已經(jīng)發(fā)現(xiàn)珍珠巖沉降的儲(chǔ)罐進(jìn)行珍珠巖在線補(bǔ)填，能夠緩解LNG儲(chǔ)罐珍珠巖沉降，有效提高儲(chǔ)罐保冷性能，減少因漏冷產(chǎn)生的BOG增量。

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