張晨 陳峰 王亞群 安東雨 呂夢(mèng)蕓 孫亞娟(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100028)

0 引言

液化天然氣(LNG，Liquefied Natural Gas)發(fā)展?jié)摿薮?，是?guó)內(nèi)外大力發(fā)展的新能源產(chǎn)業(yè)，具有光明的發(fā)展前景[1]。但是快速發(fā)展LNG 產(chǎn)業(yè)離不開(kāi)大型儲(chǔ)罐的興建，作為接收站最重要的工藝儲(chǔ)存設(shè)備，其安全運(yùn)行對(duì)整個(gè)LNG 產(chǎn)業(yè)鏈的順暢具有舉足輕重的作用。

儲(chǔ)罐預(yù)冷過(guò)程中由于較大(共計(jì)約200℃)的溫度變化，在熱載荷作用下，會(huì)造成結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力集中、內(nèi)罐不均勻冷縮引起變形等不利作用，威脅儲(chǔ)罐的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。這一問(wèn)題在22 萬(wàn)m3儲(chǔ)罐工程建設(shè)中表現(xiàn)的更為突出。為有效控制大型儲(chǔ)罐預(yù)冷工程的相關(guān)參數(shù)，防止出現(xiàn)熱應(yīng)力結(jié)構(gòu)損傷，保障儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)安全。本文圍繞儲(chǔ)罐預(yù)冷過(guò)程，建立儲(chǔ)罐預(yù)冷結(jié)構(gòu)分析模型，并結(jié)合儲(chǔ)罐預(yù)冷溫度模型，確定由預(yù)冷造成的儲(chǔ)罐應(yīng)力分布，為L(zhǎng)NG 儲(chǔ)罐預(yù)冷提供安全經(jīng)濟(jì)且合理的方案，輔助實(shí)際工程實(shí)施。

1 儲(chǔ)罐預(yù)冷分析模型建立

1.1 儲(chǔ)罐基本情況

儲(chǔ)罐基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其核心包括鋼制內(nèi)罐、混凝土外罐及兩者之間的保冷系統(tǒng)。

圖1 LNG儲(chǔ)罐

1.1.1 鋼制內(nèi)罐

22 萬(wàn)m3LNG 儲(chǔ)罐的內(nèi)罐半徑43m，高度41.8m，包括筒體和罐壁上的加強(qiáng)圈，材料為EN10028-4X7Ni9 鋼。內(nèi)罐筒體由內(nèi)罐底板和內(nèi)罐壁組成。

(1)內(nèi)罐底板外側(cè)環(huán)板厚度20mm，環(huán)板區(qū)域?qū)挾?29mm，罐底中幅板厚度6mm。

(2)內(nèi)罐壁厚度沿高度變化，罐壁上有5 道加強(qiáng)圈。

1.1.2 混凝土外罐

外罐由標(biāo)號(hào)C50 的混凝土建成，自下而上包括：

(1)混凝土底板：半徑46.7m 的混凝土圓板結(jié)構(gòu)。

(2)混凝土墻體：外罐墻體為混凝土筒體結(jié)構(gòu)，由主墻和上部環(huán)梁組成，墻體內(nèi)半徑44m，主墻體厚度1.0m，環(huán)梁段厚度1.2m，高度3.5m。

(3)穹頂混凝土：內(nèi)半徑為88m，分層建造底層混凝土厚度為0.33m。

1.1.3 保冷系統(tǒng)

布置于內(nèi)罐與外罐之間，包括罐底、罐壁以及罐頂保冷，三部分為一個(gè)整體，對(duì)內(nèi)罐形成封閉的保冷空間。

1.2 結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)LNG 儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)特征，分內(nèi)罐、外罐、保冷三部分進(jìn)行模型建立工作。儲(chǔ)罐各個(gè)部分模型建立情況如下：

1.2.1 鋼制內(nèi)罐

內(nèi)罐為板梁組合結(jié)構(gòu)，采用合適的單元類(lèi)型對(duì)內(nèi)罐不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，模型如圖2 所示。

圖2 鋼制內(nèi)罐

1.2.2 混凝土外罐

混凝土外罐模型如圖3 所示。

圖3 混凝土外罐

1.2.3 保冷系統(tǒng)

保冷系統(tǒng)為三維結(jié)構(gòu)區(qū)域，內(nèi)部材料區(qū)域復(fù)雜，結(jié)構(gòu)形式多樣，采用實(shí)體單元來(lái)進(jìn)行建模，模型如圖4 所示。

然后通過(guò)網(wǎng)格裝配技術(shù)完成各部分之間的整體化裝配，以確保力學(xué)意義上的載荷傳遞和位移協(xié)調(diào)，最終建立的LNG 儲(chǔ)罐模型如圖5 所示。

1.3 溫度模型

針對(duì)LNG 噴淋降溫的預(yù)冷方式，采用FLUENT 分析系統(tǒng)構(gòu)建儲(chǔ)罐預(yù)冷溫度模型：

1.3.1 氣液兩相模型

基于離散相模型模擬噴淋出的LNG 液相顆粒[2]；LNG 顆粒揮發(fā)產(chǎn)生的低溫天然氣及其在儲(chǔ)罐內(nèi)的分布情況采用組分運(yùn)輸模型進(jìn)行模擬。進(jìn)而確定由LNG 噴淋揮發(fā)、氣相分布造成的罐內(nèi)溫度降低及其分布情況。

1.3.2 湍流模型

選擇k-ε 湍流模型以適應(yīng)大尺度、高湍流計(jì)算[3]，并匹配計(jì)算網(wǎng)格。

1.3.3 熱載荷傳遞模型

為反映預(yù)冷過(guò)程中溫度變化導(dǎo)致的儲(chǔ)罐熱載荷，開(kāi)發(fā)基于節(jié)點(diǎn)映射的溫度差值算法，實(shí)現(xiàn)溫度預(yù)測(cè)結(jié)果作為熱邊界條件賦予儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)有限元模型，實(shí)現(xiàn)溫度熱載荷從溫度模型向結(jié)構(gòu)模型的實(shí)時(shí)同步傳遞。

1.3.4 邊界條件

建立溫度模型邊界條件，注入口為L(zhǎng)NG 噴嘴定義的顆粒入口條件；出口為儲(chǔ)罐排空閥，為環(huán)境壓力和溫度條件；罐壁為由壁面溫度/厚度、保溫層材料屬性定義的墻邊界條件。

基于以上模型，基于Intel(R)Xeon(R)CPU E5645，在保證計(jì)算收斂穩(wěn)定、結(jié)果準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了模型計(jì)算時(shí)間和實(shí)際預(yù)冷時(shí)間5:1的計(jì)算效能，即每5h計(jì)算時(shí)間可預(yù)測(cè)1h預(yù)冷情況，滿足了工程需要。

2 儲(chǔ)罐預(yù)冷分析應(yīng)用

以某項(xiàng)目建設(shè)的22 萬(wàn)m3儲(chǔ)罐為對(duì)象，開(kāi)展預(yù)冷分析模型的應(yīng)用研究。

2.1 儲(chǔ)罐預(yù)冷溫度計(jì)算

在滿足BS EN 14620 冷卻速度要求的情況下[4]，在環(huán)境溫度40℃時(shí)，所需總噴淋降溫時(shí)間為50h，不同時(shí)刻模型預(yù)測(cè)的罐內(nèi)溫度分布情況如圖6 所示。

2.2 均勻溫降儲(chǔ)罐應(yīng)力分析

根據(jù)儲(chǔ)罐預(yù)冷溫度模型，在均勻噴淋降溫的條件下，罐內(nèi)不同位置應(yīng)力結(jié)果如下。

2.2.1 內(nèi)罐應(yīng)力

(1)底板及壁板。預(yù)冷初期1h 及預(yù)冷結(jié)束50h，底板及壁板Von Mises 應(yīng)力結(jié)果如圖7 所示。

基于應(yīng)力云圖，底板與內(nèi)罐壁接觸處、底板中心位置及內(nèi)壁上部應(yīng)力較大。預(yù)冷結(jié)束時(shí)，內(nèi)罐底板中心位置應(yīng)力最大值為32MPa，內(nèi)罐壁底板與管壁相交處應(yīng)力最大值為22.4MPa，內(nèi)罐壁頂部應(yīng)力最大值為136MPa。在整個(gè)預(yù)冷過(guò)程中LNG 儲(chǔ)罐內(nèi)罐整體的最大應(yīng)力為162.8MPa，位于內(nèi)罐與中間保溫層的接觸位置。

圖4 保冷系統(tǒng)

圖5 22萬(wàn)方LNG儲(chǔ)罐有限元模型

圖6 預(yù)冷LNG儲(chǔ)罐內(nèi)溫度分布

圖7 LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐壁及底板應(yīng)力分布

(2)加強(qiáng)圈。內(nèi)罐加強(qiáng)圈Von Mises 應(yīng)力結(jié)果如圖8 所示。在整個(gè)預(yù)冷過(guò)程中，內(nèi)罐加強(qiáng)圈最上圈應(yīng)力相對(duì)較大，最大應(yīng)力值為6MPa。

圖8 內(nèi)罐加強(qiáng)圈應(yīng)力分布(50h)

2.2.2 外罐應(yīng)力

預(yù)冷結(jié)束時(shí)，外罐不同位置Von Mises 應(yīng)力如圖9 所示。其中，外罐墻體中部應(yīng)力較大，最大值為2.7MPa；底板邊緣應(yīng)力較大，最大值為3.4MPa；外罐穹頂?shù)倪吘壧帒?yīng)力較大，最大值為1.4MPa。

2.3 局部過(guò)冷應(yīng)力分析

實(shí)際噴淋過(guò)程難以實(shí)現(xiàn)完全的均勻溫降，可能發(fā)生LNG液滴滴落在儲(chǔ)罐內(nèi)罐底板，造成罐底底板的局部低溫過(guò)冷，外罐與內(nèi)罐中間受保溫層隔離，受液滴滴落的影響很小，故針對(duì)LNG 液滴滴落內(nèi)罐底板開(kāi)展局部應(yīng)力分析。

根據(jù)溫度模型，液滴滴落后，滴落處內(nèi)罐底板溫度及Von Mises 應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖10 所示。

在滴落處，鋼板溫度快速降低，在15s 內(nèi)可降低至-118℃，之后溫度變化趨于平緩，在1000s 時(shí)溫度降至-131℃。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，液滴滴落后，內(nèi)罐底板應(yīng)力快速增長(zhǎng)，在15s 時(shí)達(dá)到最大值，為237.23MPa，此后隨溫度的逐步擴(kuò)散應(yīng)力呈現(xiàn)先降低后提升的趨勢(shì)，最終趨于穩(wěn)定時(shí)的230.7MPa。

3 儲(chǔ)罐預(yù)冷工程應(yīng)用

根據(jù)計(jì)算情況，在滿足BS EN 14620 冷卻速率要求的情況下，在預(yù)冷速率相同的條件下，儲(chǔ)罐內(nèi)罐最大應(yīng)力為162.8MPa，外罐最大應(yīng)力為3.4MPa，均小于儲(chǔ)罐鋼材和混凝土可允許的最大應(yīng)力207MPa 和36MPa，可有效保障儲(chǔ)罐在預(yù)冷過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全。當(dāng)發(fā)生LNG 液滴滴落，出現(xiàn)局部過(guò)冷時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)罐底板最大應(yīng)力237.23MPa，超過(guò)了材料的許用應(yīng)力207MPa，存在局部應(yīng)力破壞的情況。

基于模型分析，開(kāi)展某22 萬(wàn)m3LNG 儲(chǔ)罐的預(yù)冷優(yōu)化設(shè)計(jì)。一方面，利用LNG 遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船掃倉(cāng)泵替代卸料泵，以增大預(yù)冷LNG 供給壓力；另一方面，增大儲(chǔ)罐預(yù)冷LNG 供給管線管徑以減少壓降。兩方面結(jié)合，可提高LNG 噴淋閥操作壓力，降低LNG 液滴顆粒粒徑，提高LNG 霧化效果，防止出現(xiàn)液滴滴落，提高預(yù)冷效果。同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程中，密切監(jiān)視罐體溫度，保證罐壁溫度低于罐底溫度，確保自上而下的整體降溫過(guò)程。

開(kāi)展了某儲(chǔ)罐實(shí)際工程應(yīng)用，在37℃～43℃環(huán)境溫度下，完成預(yù)冷時(shí)間為52.6 小時(shí)，未出現(xiàn)異常情況，圓滿達(dá)到了工程目標(biāo)。同時(shí)，模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比取得了很好的一致性，對(duì)罐底中部關(guān)鍵性參數(shù)溫度的預(yù)測(cè)誤差在3%～7%，充分反映了模型預(yù)測(cè)的高精度，如圖11 所示。同時(shí)，根據(jù)模型預(yù)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)反饋情況，可進(jìn)一步開(kāi)展冷卻速率提升的研究，以降低作業(yè)時(shí)間，提升效率。

圖9 儲(chǔ)罐外罐應(yīng)力分布(50h)

圖10 LNG滴落處溫度/應(yīng)力變化

圖11 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文面向國(guó)內(nèi)在建容量最大的22 萬(wàn)m3儲(chǔ)罐，圍繞儲(chǔ)罐預(yù)冷過(guò)程，建立了儲(chǔ)罐預(yù)冷結(jié)構(gòu)分析模型，并結(jié)合儲(chǔ)罐預(yù)冷溫度模型，確定了由預(yù)冷造成的儲(chǔ)罐應(yīng)力分布，實(shí)時(shí)分析儲(chǔ)罐預(yù)冷過(guò)程受到的熱應(yīng)力作用，完成對(duì)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響分析，確定在預(yù)冷過(guò)程中儲(chǔ)罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要危險(xiǎn)點(diǎn)，為L(zhǎng)NG 儲(chǔ)罐預(yù)冷提供了安全、經(jīng)濟(jì)合理的方案，輔助實(shí)際工程實(shí)施，彌補(bǔ)了22及以上大型LNG 儲(chǔ)罐三維預(yù)冷仿真的空白，具有良好的工程推廣應(yīng)用價(jià)值。