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大型LNG储罐泄漏时的有限元分析

发布于:2016-12-03 22:49
有限元分析

      天然气作为优质、高效、环保的能源被广泛使用,其地位也是越来越重要。LNG ( Liquid fied Natural Gas,液化天然气)储罐作为天然气储存、调峰的重要设备而被广泛建设,其结构也不断完善并呈现大型化的趋势。为打破国外在该领域的技术垄断,节约LNG储罐的建造成本,国内已经开始了大型常压低温LNG储罐的研究工作。
      当前,国内对LNG储罐设计和建造的研究较少,采用较多的是欧美规范。主储罐泄漏是欧洲标准BS EN14620规定的储罐结构偶然作用工况之一,是结构设计、分析中必须考虑的一类情况。因此,LNG主储罐泄漏后结构在低温下的有限元分析,具有重要的理论与现实意义。
      研究大型全容式低温LNG储罐,其设计容量为1.6 x e5平。全容式储罐由9%镍合金钢质内储罐与预应力钢筋混凝土外罐组成,如图所示。正常工作情况下,低温LNG储液被储存于钢质内罐中,而主储罐泄漏是指内储罐液体泄漏至内外罐之间的情况,此时,泄漏的储液将由外罐直接承担。
      内罐泄漏对储罐结构的影响有两个方面,一是泄漏液体对结构产生直接的附加荷载,另外一方面是超低温-165℃液体泄漏引起结构温度场重分布,进而影响结构的受力情况。本研究首先对内罐泄漏后的储罐结构进行热力学分析,获取T分布的温度场,再将计算结果赋予储罐模型,在力学分析中同时考虑卜述两个方面对储罐结构的影响。
      为考虑泄漏液位的影响,在内罐泄漏工况下分别建立高液位、中液位、低液位三种情况下的即热力学模型,其中,低液位时液面高度取为泄漏时泄漏液面最大可能高度的25%,中液位时取与泄漏液体接触面附近,此值接近于泄漏液体的温度(-65°C),温度最高值出现在远离液面的罐壁外表面,最高值接近于环境温度(20°C)。
      在不同液位工况的模型中,距罐底5.8m高度处均处于泄漏液面范围内,选取该位置的罐壁截面,以罐壁内侧为起点,作沿壁厚方向变化的温度曲线。二种情形下的50%,液位时取100%。内罐泄漏(中液位)后储罐外罐不同部位的温度分布情况。   
      不同液位下储罐结构的热力学分析结果主要数据。由于混凝上分热性井,在液面范围外,混凝土温度将迅速哀减到正常水平,致使低温液体的影响范围有限。三种液位下,储罐结构温度场的温度最低值和温度最高值均随i时间保持一致,温度最低值出现在储罐温度变化曲线保持。致,罐壁内侧的温度值均为-164.733°C ,罐壁外侧的温度值均为-32.42°C ,内外侧之间温度呈线性变化。在泄漏液体高度范围内,泄漏液面高度对某一高度上罐壁温度分布的影响并不显著。
      不同液位下,储罐罐壁厚度中心处沿高度力-向上的温度变化曲线存在诸多相似之处。在泄漏液面以下的大部分区域,壁厚中心处的温度值均稳定在一98.3℃附近;在泄漏液面附近,其温度随高度的上升而迅速增长到5.1°C左右,当高度超出液面一定范围后,温度则再次保持相对稳定,对高度不再敏感,在罐壁与罐顶交界处,温度又略有上升。不同泄漏液位对结构温度场影响的主要差异在于结构受到影响的高度范围不同。
      在上述热力学分析的基础上,结构力学分析同时考虑了结构自重、预应力、可变荷载、泄漏液体荷载、温度场等荷载,并依据规范进行了荷载组合。高、中、低液位泄漏与无泄漏四种工况下的力学模型间主要差异在于泄漏液体对结构体的影响,具体而言,一方面,泄漏的液体受重力影响直接对罐壁产生压强作用,4个模型的罐壁内侧液压范围及取值不同,另一方面,受泄漏液体的低温影响,不同工况下储罐罐体的温度场存在着较大差异,低温将造成材料的收缩,同时也会影响材料的线膨胀系数、抗压强度等材料属性。
      内罐泄漏工况下液位对结构的温度场、位移情况、应力分布等均有显著影响。内罐泄漏对结构位移的影响显著。低温作用与预应力引起结构收缩,而附加液体荷载则造成罐壁外扩,这两方面作用对结构水平方向上的位移影响最大。随着泄漏液位高度的增加,结构的最大位移值亦随之增加。无泄漏模型的最大位移发生在罐壁中部,低液位模型的最大位移发生在8.700m处,中液位模型的最大位移发生在11.600m处,高液位模型的最大位移发生在28m处,即结构的最大位移均出现在泄漏液体作用高度范围中部区域,但随着泄漏液体表面高度的增加,其位置有下移趋势。罐壁上部及下部位移均较中部为小,这是由于罐壁下部受到罐底约束影响,而罐壁下部受到罐顶的支撑作用。由于罐顶部分远离泄漏液体,温度及附加泄漏液体荷载对此部分影响较小,其位移主要是由罐顶活荷载与自重决定的,因此,四种工况下罐顶部分的位移接近,罐顶最大位移均出现在罐顶几何中心处。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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