基于數(shù)值模擬的LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐應(yīng)力分析

張博超，黃歡，陳團(tuán)海，夏夢(mèng)瑩，計(jì)寧寧

（中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京市朝陽(yáng)區(qū)100028）

引言

LNG儲(chǔ)罐是LNG接收站中最重要的設(shè)備之一。LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐的設(shè)計(jì)，則是LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。內(nèi)罐需要承擔(dān)液體在各種工況下的荷載，而且需要在-165℃的低溫環(huán)境下保證正常工作不失效。通常情況下，LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐采用9%Ni鋼板制成。由于設(shè)計(jì)難度大，材料造價(jià)高，對(duì)整個(gè)儲(chǔ)罐影響嚴(yán)重，因此內(nèi)罐的設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)LNG行業(yè)各個(gè)公司研究中重點(diǎn)內(nèi)容之一。

目前國(guó)內(nèi)已有多名學(xué)者對(duì)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐進(jìn)行了分析與研究。黃歡[1]通過(guò)分析國(guó)產(chǎn)9%Ni鋼板現(xiàn)狀及計(jì)算結(jié)果，給出了LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐的優(yōu)化建議；揚(yáng)帆等[2]通過(guò)分析，給出了LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐計(jì)算的參考計(jì)算方法；管有海等[3]通過(guò)液固耦合，對(duì)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐和外罐模態(tài)進(jìn)行分析，研究?jī)?chǔ)罐震動(dòng)頻率的影響；曹學(xué)文等[4]通過(guò)計(jì)算和對(duì)比，分析模型和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)的誤差，并建議大型LNG儲(chǔ)罐分三個(gè)階段進(jìn)行預(yù)冷；蘇娟等[5]人借助有限元軟件，模擬了內(nèi)罐泄漏工況下，LNG液體低溫對(duì)儲(chǔ)罐的影響，并提出了應(yīng)對(duì)建議。

1 內(nèi)罐建模

1.1 內(nèi)罐設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)的大型LNG全容儲(chǔ)罐，內(nèi)罐通常采用9%Ni鋼結(jié)構(gòu)。罐底和罐壁均由鋼板焊接形成，罐壁需在出廠前根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行預(yù)彎。根據(jù)GB/T 26978中的要求，當(dāng)儲(chǔ)罐罐壁直徑大于60m時(shí)，內(nèi)罐壁板最小厚度為10mm。罐底板最小厚度為5mm，底環(huán)板最小厚度為8mm[6]。

目前LNG儲(chǔ)罐工程設(shè)計(jì)，通常采用理論公式計(jì)算，得到每層壁板的厚度。本文基于中國(guó)海油某大型LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)方案，通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)LNG內(nèi)罐在預(yù)冷、水壓試驗(yàn)、調(diào)試階段進(jìn)行分析，研究?jī)?nèi)罐實(shí)際的工作情況，得到不同位置的受力情況，并提出相關(guān)建議，為后續(xù)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)提供參考。

參考某大型LNG儲(chǔ)罐項(xiàng)目，對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)罐進(jìn)行建模，其中內(nèi)罐直徑82m，壁板高36.19m，底板厚度6mm，底環(huán)板厚度20mm，壁板采用11層鋼板安裝形成，每層鋼板厚度如下圖所示：

內(nèi)罐共設(shè)置7層加強(qiáng)筋，每層加強(qiáng)筋的高度及鋼板厚度，如下圖所示：

表1 某LNG項(xiàng)目?jī)?nèi)罐加強(qiáng)筋尺寸

1.2 模型建立

本文采用ABAQUS軟件進(jìn)行建模，張超在《ABAQUS 在LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)與分析中的應(yīng)用》[7]一書中，詳細(xì)介紹了儲(chǔ)罐采用ABAQUS建模分析的方法，本文參考此書中推薦的方法，并結(jié)合實(shí)際的設(shè)計(jì)建造情況，建立LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐模型并進(jìn)行計(jì)算分析。

儲(chǔ)罐內(nèi)罐計(jì)算模型如下圖所示：

圖2 LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐二分之一模型

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 預(yù)冷計(jì)算結(jié)果

模擬LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷工況，對(duì)內(nèi)罐進(jìn)行預(yù)冷計(jì)算。計(jì)算時(shí)初始溫度設(shè)置為20℃，預(yù)冷溫度為-165℃。由于儲(chǔ)罐內(nèi)罐放置在罐底保冷材料上，與外罐襯板無(wú)焊接，因此內(nèi)罐底板中心進(jìn)行固定約束，內(nèi)罐底板對(duì)Z方向進(jìn)行位移約束。罐壁不進(jìn)行約束。

預(yù)冷時(shí)，罐內(nèi)無(wú)液體，因此罐內(nèi)除溫度荷載外，無(wú)液壓荷載。

預(yù)冷工況應(yīng)力計(jì)算云圖如下所示：

圖3 內(nèi)罐預(yù)冷計(jì)算應(yīng)力云圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在預(yù)冷工況下，內(nèi)罐最大應(yīng)力約218MPa，位置處于在內(nèi)罐底環(huán)板。由于底環(huán)板受力計(jì)算結(jié)果與其他位置計(jì)算相差較大，運(yùn)途中無(wú)法清晰顯示其他位置情況，因此對(duì)底環(huán)板進(jìn)行隱藏，根據(jù)隱藏后的云圖，可從結(jié)果看出，壁板計(jì)算最大值位于底部，頂部應(yīng)力可以忽略不計(jì)。

圖4 隱藏底環(huán)板應(yīng)力云圖

內(nèi)罐壁板遇冷后，主要體現(xiàn)為鋼板預(yù)冷收縮，產(chǎn)生較大的位移，內(nèi)罐預(yù)冷計(jì)算位移云圖如下所示：

圖5 內(nèi)罐預(yù)冷位移云圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，內(nèi)罐在預(yù)冷時(shí)產(chǎn)生較大的位移，最大處為內(nèi)罐壁板頂部，主要原因?yàn)橹睆胶透叨阮A(yù)冷收縮。底板預(yù)冷向內(nèi)側(cè)收縮，直接越大，收縮量越大。

根據(jù)遇冷工況模擬計(jì)算結(jié)果可以得出，LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐在預(yù)冷工況下，結(jié)構(gòu)整體受力較小，主要荷載集中在內(nèi)罐底環(huán)板處，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮底環(huán)板的荷載，在預(yù)冷時(shí)儲(chǔ)罐產(chǎn)生明顯的收縮，最大收縮量可達(dá)約120mm，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮內(nèi)罐變形對(duì)其他結(jié)構(gòu)影響，如設(shè)置錨固帶，需考慮內(nèi)罐預(yù)冷變形對(duì)錨固帶產(chǎn)生的荷載。

2.2 水壓試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

模擬內(nèi)罐水壓試驗(yàn)工況，對(duì)內(nèi)罐進(jìn)行計(jì)算。在內(nèi)罐壁板內(nèi)側(cè)施加靜水壓力，最大靜水壓力為197kPa，在20.1m處壓力為0。底板施加197kPa的均布水壓力。

由于內(nèi)罐水壓試驗(yàn)工況處于常溫狀態(tài)，因此在模擬工程中不考慮溫度荷載。

水壓試驗(yàn)計(jì)算內(nèi)罐計(jì)算結(jié)果如下：

圖6 內(nèi)罐水壓試驗(yàn)應(yīng)力云圖

圖7 內(nèi)罐水壓試驗(yàn)位移云圖

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看出，內(nèi)罐在水壓試驗(yàn)時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)罐壁板底部。由于罐壁底部所受的靜水壓力較大，因此在此處的應(yīng)力較大，最大可達(dá)298MPa。由于水壓試驗(yàn)高度僅為20.1m，因此在此高度以上的壁板，無(wú)液體壓力，所承受的荷載較小。

在水壓試驗(yàn)工況下，罐內(nèi)位移與儲(chǔ)罐應(yīng)力結(jié)果相似，最大位移出現(xiàn)在內(nèi)罐壁板底部，最大值達(dá)到63mm。而罐壁頂部和罐底，位移較小。

2.3 運(yùn)行計(jì)算結(jié)果

模擬儲(chǔ)罐運(yùn)行工況，對(duì)內(nèi)罐進(jìn)行計(jì)算。在運(yùn)行工況下，內(nèi)罐處于低溫環(huán)境下，溫度條件與遇冷工況相同，均為-165℃。本次運(yùn)行工況，考慮滿罐狀態(tài)下儲(chǔ)罐運(yùn)行荷載，在儲(chǔ)罐壁板內(nèi)側(cè)施加靜水壓力，最大靜水壓力為154kPa，在32.7m處?kù)o水壓力為0。底板施加154kPa的均布水壓力。

運(yùn)行工況下儲(chǔ)罐內(nèi)罐計(jì)算結(jié)果如下：

圖8 內(nèi)罐運(yùn)行應(yīng)力云圖

圖9 內(nèi)罐運(yùn)行位移云圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，內(nèi)罐在滿罐運(yùn)行時(shí)，壁板受力最大點(diǎn)仍然在底部。最大值達(dá)到241MPa。隨著壁板高度增加，應(yīng)力逐漸減小。底板受力最大點(diǎn)為底環(huán)板，中幅板受力較小。

內(nèi)罐在滿罐運(yùn)行時(shí)，罐內(nèi)處于低溫狀態(tài)，鋼板預(yù)冷收縮，位移較大。內(nèi)罐位移最大處為壁板頂部，最大位移達(dá)到140mm，壁板位置降低，位移減小。底板位移量，整體小于內(nèi)罐壁板位移，底板最大位移在外側(cè)底環(huán)板處，隨著底板半徑減小，位移量逐漸減小。

3 應(yīng)力分析

由上計(jì)算結(jié)果可知，同位置受力差異較大，在后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)可考慮不同的安全余量。當(dāng)儲(chǔ)罐處于預(yù)冷工況時(shí)，由于罐內(nèi)無(wú)液壓，且儲(chǔ)罐內(nèi)部無(wú)約束條件，因此儲(chǔ)罐罐壁荷載較小，鋼板強(qiáng)度設(shè)計(jì)余量較大。預(yù)冷條件下，儲(chǔ)罐最大荷載為內(nèi)罐底環(huán)板荷載，底板直徑越大，內(nèi)罐收縮量越大，因此底環(huán)板荷載較大。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)冷工況下內(nèi)罐各部位荷載均在需用應(yīng)力范圍內(nèi)，對(duì)內(nèi)罐影響不大，但需要考慮內(nèi)罐收縮引起的變形，如考慮錨固帶等設(shè)計(jì)方案，需對(duì)錨固帶進(jìn)行復(fù)核，確保位移能夠滿足要求。

水壓試驗(yàn)工況下，由于水壓試驗(yàn)的荷載大于內(nèi)罐最大液位下的荷載，因此水壓試驗(yàn)中壁板最大應(yīng)力這3種工況下最大值。但由于水壓試驗(yàn)液位高度與運(yùn)行液位高度相比較低，因此上部壁板的實(shí)際受力小于正常運(yùn)行時(shí)受力。根據(jù)結(jié)果對(duì)比，在第3層壁板中，水壓試驗(yàn)和運(yùn)行兩種工況最大應(yīng)力相近，在第4層壁板以上，運(yùn)行工況荷載明顯大于水壓試驗(yàn)工況。當(dāng)水壓試驗(yàn)為控制工況時(shí)，應(yīng)考慮增加底層壁板的設(shè)計(jì)余量，提高內(nèi)罐的安全系數(shù)。

在運(yùn)行工況時(shí)，由于儲(chǔ)罐承受低溫、液壓等多項(xiàng)荷載，因此在滿罐運(yùn)行時(shí)內(nèi)罐計(jì)算結(jié)果較大。在3種不同工況下，內(nèi)罐底4-11層壁板最大應(yīng)力均出現(xiàn)在運(yùn)行工況中。且運(yùn)行工況是實(shí)際生產(chǎn)中最常見的工況，運(yùn)行期需鋼板許用應(yīng)力小于試驗(yàn)及偶然工況荷載，因此運(yùn)行可能是內(nèi)罐計(jì)算的控制工況之一，因此在計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮運(yùn)行空曠的安全系數(shù)。

雖然內(nèi)罐設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮加強(qiáng)底部壁板的厚度，但在實(shí)際的工況模擬中，底部壁板應(yīng)力仍然大于頂部壁板，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要提升壁板尤其是底部壁板的設(shè)計(jì)余量，確保內(nèi)罐運(yùn)行安全可靠。

同時(shí)，內(nèi)罐在預(yù)冷及運(yùn)行工況，存在較大的變形，最大值超過(guò)140mm，對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮內(nèi)罐收縮，對(duì)吊頂、錨固帶、珍珠巖、彈性氈等其它結(jié)構(gòu)的影響，提前考慮收縮余量及其處理措施。

4 結(jié)論

1、預(yù)冷條件下，內(nèi)罐最大應(yīng)力為底環(huán)板處，壁板所受荷載較小，但內(nèi)罐收縮量較大，需考慮內(nèi)罐收縮位移對(duì)儲(chǔ)罐的影響。

2、水壓試驗(yàn)條件下，內(nèi)罐底部壁板受力較大，可提高此部位的安全余量，但由于液位高度較低，因此上部壁板荷載較小。

3、運(yùn)行條件下，儲(chǔ)罐壁板荷載較大，尤其是3層上壁板，需考慮相關(guān)安全余量。同時(shí)運(yùn)行期內(nèi)罐許用應(yīng)力較小，收縮位移較大，需要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮此方面影響。