LNG儲罐墻體襯里溫度數(shù)值分析

姜永勝

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）主要成分為甲烷，是一種優(yōu)質(zhì)清潔能源。隨著國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整以及“雙碳”目標(biāo)戰(zhàn)略推動下，天然氣清潔能源消費占比的提升，配套的LNG儲罐建設(shè)規(guī)模和數(shù)量也將越來越大[1]。

全容式LNG儲罐是目前國內(nèi)LNG接收站普遍采用的罐型，襯里位于混凝土外罐內(nèi)側(cè)，又叫蒸氣隔氣層，起到氣密防止BOG氣體泄漏到罐外的作用[2]。LNG儲罐設(shè)計溫度為-168℃，與外部常溫環(huán)境存在巨大溫差。由于不同儲罐站場環(huán)境溫度差異，以及儲罐內(nèi)部珍珠巖保冷層和熱角保護系統(tǒng)等影響，造成不同部位的襯里溫度存在差異。過低的溫度會影響襯里的力學(xué)性能，可能會造成襯里結(jié)構(gòu)破壞或罐底部襯里局部失穩(wěn)，進而影響儲罐整體氣密性或底部保冷區(qū)域結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

近年來，國內(nèi)外眾多科研人員和工程師致力于LNG儲罐相關(guān)研究。Sangeun R和Gihun S[3]對LNG儲罐的傳熱對流進行了相關(guān)研究，得出了接觸面?zhèn)鳠崴俾屎凸桃航佑|面積有關(guān)；蘇龍龍等[4]建立了LNG儲罐LNG儲罐二維溫度場有限元模型，獲得了儲罐操作工況下的溫度場分布規(guī)律；安琪等[5]分析了儲罐在3種不同液位高度下罐體的溫度分布規(guī)律，結(jié)果表明溫度不穩(wěn)定區(qū)域集中在液位高度附近；范嘉堃等對LNG儲罐整體結(jié)構(gòu)的熱分析計算和研究，基于分析結(jié)果得出的儲罐表面溫度的分布情況，通過現(xiàn)場儲罐表面溫度的實測結(jié)果分析比對，能夠得出儲罐溫度場的整體分布規(guī)律[6]。

利用ANSYS開展LNG儲罐襯里板受環(huán)境溫度影響分析，可以確定LNG站場的儲罐襯里溫度規(guī)律，給出材料推薦選型，對于開展儲罐設(shè)計具有重要意義[7]。

1 LNG儲罐熱傳遞原理分析

目前我國LNG儲罐主要分布在東南沿海城市，現(xiàn)公司在建工程項目大多為160，000～270，000m3全容式鋼筋混凝土儲罐。儲罐外罐由鋼筋混凝土澆筑而成，內(nèi)罐是9%Ni鋼制成，具有優(yōu)良的低溫性能。在內(nèi)罐和外罐之間，填充膨脹珍珠巖，并在內(nèi)罐外懸掛彈性氈，發(fā)揮一定的緩沖作用。在內(nèi)罐頂部懸掛鋁合金吊頂，上面鋪設(shè)多層玻璃棉，并同墻角的膨脹珍珠巖和穹頂內(nèi)側(cè)襯里鋼板一同構(gòu)成一個密閉空間，見圖1。

在墻體底部，專門設(shè)計熱角保護系統(tǒng)，保護墻角不受低溫應(yīng)力損傷，如圖2所示。

圖2 儲罐底部局部保冷示意圖

雖然儲罐采取多種保冷隔熱措施，但內(nèi)部-165℃同外界常溫環(huán)境溫差巨大，不可能與外界完全絕熱，導(dǎo)致外界環(huán)境熱量進入罐內(nèi)引起LNG氣化。主要傳熱方式主要有熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3種方式[8]。

熱傳導(dǎo)是在溫度差作用下，兩個接觸物體之間或同一個物體內(nèi)部不同位置之間發(fā)生的熱量傳遞方式。熱傳導(dǎo)發(fā)生在LNG儲罐外罐同保冷結(jié)構(gòu)之間、保冷結(jié)構(gòu)同內(nèi)罐之間，是儲罐最主要的熱傳遞方式，其導(dǎo)熱過程中的熱阻計算可見式（1）[9]。

熱對流是在溫差作用下，固體表面同流體之間發(fā)生熱量傳遞的方式。LNG儲罐外罐混凝土凝土在環(huán)境作用下發(fā)生自然對流，熱量傳遞至外罐，其熱導(dǎo)率計算公式可以見式（2）[10]。

熱傳遞是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。熱輻射主要發(fā)生在外表面太陽輻射、穹頂上方BOG區(qū)域等，工程上一般只考慮穹頂上方BOG區(qū)域內(nèi)的熱輻射計算。

2 LNG儲罐有限元模型

以某項目200，000m3LNG項目全容式儲罐為研究對象，建立LNG儲罐ANSYS精細(xì)化有限元分析模型。模型不僅包括了混凝土外罐的穹頂、墻體和承臺主體結(jié)構(gòu)，還包括了低溫環(huán)梁、找平層、熱角保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、HLB800和HLB2400泡沫玻璃磚、環(huán)形空間內(nèi)膨脹珍珠巖和彈性氈、內(nèi)罐吊頂玻璃棉等所有罐內(nèi)材料。由于9%鎳鋼、不銹鋼和瀝青氈的厚度較薄，且3種材料的熱傳導(dǎo)率相較于上述其他材料明顯增大，故不對其進行有限元建模，但以墻體內(nèi)側(cè)面溫度作為鋼襯溫度[11]。整體模型如圖3所示。

圖3 儲罐二維熱分析有限元模型

采用適應(yīng)性較好的平面二維熱分析單元PLANE55進行網(wǎng)格劃分。PLANE55單元具有4個節(jié)點，每個節(jié)點只有1個溫度自由度，可用作具有二維熱傳導(dǎo)能力的軸對稱環(huán)形單元，可用于二維、穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析。針對LNG儲罐形狀不規(guī)則、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素，采用自由網(wǎng)格和映射網(wǎng)格相結(jié)合的方式劃分，并對熱角保護、混凝土環(huán)梁、泡沫玻璃磚、混凝土找平層、保冷玻璃棉等局部結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格細(xì)化處理[12]，如圖4所示。

圖4 儲罐罐底細(xì)化網(wǎng)格

3 LNG儲罐溫度場分析

3.1 LNG儲罐保冷材料

在LNG儲罐的底部、內(nèi)外罐間的環(huán)狀空間、鋁吊頂上方分別用泡沫玻璃磚、彈性氈、膨脹珍珠巖和玻璃棉等材料進行填充，以降低同外部環(huán)境的熱傳導(dǎo)。主要保冷材料的性能參數(shù)，如圖5所示[13]。

圖5 儲罐主要保冷材料熱傳導(dǎo)率曲線

通過材料供貨商試驗，給出有限幾個溫度下的的熱屬性參數(shù)，但實際計算需要更大溫度范圍。根據(jù)項目材料試驗數(shù)據(jù)，采用多項式擬合，計算出更多溫度點的熱屬性數(shù)值。

3.2 LNG儲罐熱分析荷載

在進行儲罐熱分析時，主要考慮溫度荷載影響，具體的荷載分類和取值說明，如表1所示。

表1 儲罐熱分析荷載

其中，空氣對流換熱對外罐壁有較大的影響，因此熱分析時必須考慮空氣對流的作用?？諝獾膶α鲹Q熱系數(shù)與環(huán)境溫度、風(fēng)速等因素有關(guān)，在計算中室溫時的對流換熱系數(shù)和-100℃時對流換熱系數(shù)，中間溫度按照線性插值。

太陽輻射對混凝土頂及穹頂空間內(nèi)的溫度有較大的影響，進行熱分析時必須考慮太陽輻射的影響，在ANSYS軟件中有專門的輻射熱分析模型，只要設(shè)定輻射常數(shù)、輻射率及環(huán)境溫度即可進行計算，計算中黑體輻射常數(shù)取5.67×10-8W/（m2·K4），輻射率根據(jù)材料的不同取0.75～0.95。詳細(xì)的儲罐溫度荷載加載方法如圖6所示。

圖6 儲罐熱分析荷載加載示意圖

3.3 LNG儲罐熱分析荷載

以項目的200，000m3儲罐模型為例，開展夏季操作下儲罐結(jié)構(gòu)有限元熱分析，并提取混凝土墻體內(nèi)側(cè)面溫度作為襯里溫度，繪制溫度隨墻體高度變化云圖如圖7所示。

圖7 儲罐襯里溫度分布曲線圖

結(jié)果表明襯里最低溫度發(fā)生在底部區(qū)域，并隨著高度增加，溫度逐漸升高；襯里最高溫度在最上部，是受上部保冷結(jié)構(gòu)作用所致；在熱角保護系統(tǒng)和上部保冷結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域，襯里溫度保持相對穩(wěn)定。

為研究外界環(huán)境溫度對襯里溫度影響，以項目的200,000m3儲罐模型為例，模擬儲罐在-40～0℃環(huán)境溫度下襯里溫度變化規(guī)律，提取每個環(huán)境溫度下襯里最低值，繪制襯里溫度隨環(huán)境溫度變化曲線圖見圖8。

圖8 儲罐襯里溫度隨環(huán)境溫度變化曲線

結(jié)果表明襯里最低溫度同環(huán)境溫度呈線性關(guān)系，隨著環(huán)境溫度的不斷降低，襯里溫度極值也不斷降低。

為研究內(nèi)外罐之間的環(huán)形空間尺寸對襯里溫度影響，以項目的200，000m3儲罐模型為例，在保持彈性氈厚度不變的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整膨脹珍珠巖的厚度，模擬儲罐環(huán)形空間尺寸在0.6～1.5m之間，襯里溫度變化規(guī)律，提取每個環(huán)形空間尺寸下襯里溫度最低值，繪制襯里溫度隨環(huán)形空間尺寸變化曲線圖，結(jié)果如圖9所示。

圖9 儲罐襯里溫度隨環(huán)形空間尺寸變化曲線

結(jié)果表明襯里最低溫度同環(huán)形空間尺寸呈正比關(guān)系，隨著環(huán)形空間尺寸增加，襯里溫度極值也升高。當(dāng)環(huán)形尺寸在1～1.2m左右位置，襯里最低溫度變化相對比較緩慢。

通過上述研究表明，環(huán)境溫度和環(huán)形空間尺寸均會襯里溫度產(chǎn)生較大影響，以項目的200，000m3儲罐模型為例，同時模擬儲罐環(huán)形空間尺寸在0.6～1.5m之間以及環(huán)境溫度在-40～0℃之間，襯里溫度變化規(guī)律，提取每個環(huán)形空間尺寸下襯里溫度最低值，繪制襯里溫度隨環(huán)形空間尺寸變化云圖，結(jié)果如圖10所示。

圖10 儲罐襯里溫度隨環(huán)形空間尺寸和外界環(huán)境溫度變化云圖

結(jié)果表明襯里最低溫度同環(huán)境溫度和環(huán)形空間尺寸總體呈正比關(guān)系，隨著環(huán)境溫度和環(huán)形空間尺寸的增大，襯里溫度極值也隨之升高。

4 儲罐襯里材料選型建議

根據(jù)GB/T 26978.2《現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)液化天然氣儲罐的設(shè)計與建造第2部分：金屬構(gòu)件》中蒸發(fā)器容器/外罐所使用鋼材表規(guī)定，對于厚度小于13mm的材料，儲罐墻體襯里溫度在-10～-20℃時，可以選用S235J2G3或S275J2G3或S355J2G3材質(zhì)鋼板；但對于金屬設(shè)計溫度低于-20℃時，鋼板應(yīng)在不超過設(shè)計溫度條件下進行沖擊試驗，縱向沖擊功值最小應(yīng)為27J，滿足許用要求后方可選用[14]。

另外根據(jù)存儲產(chǎn)品與所使用鋼材類型表，全容罐設(shè)計溫度在-10～50℃時，可以選用Ⅱ型鋼材（特種低溫碳錳鋼），在國內(nèi)LNG儲罐工程中通常選用16MNDR。

結(jié)合圖7儲罐襯里溫度分布曲線圖顯示，項目儲罐襯里最低溫度低于-20℃，因此推薦直接選用Ⅱ型鋼材，或開展低溫沖擊試驗來驗證S235J2G3或S275J2G3或S355J2G3鋼板材料能否滿足要求。

5 結(jié)語

文中以某項目200，000m3LNG項目全容式儲罐為研究對象，建立LNG儲罐ANSYS精細(xì)化有限元分析模型，進行墻體襯里溫度數(shù)值分析，并開展儲罐襯里材料選型研究。

（1）研究LNG儲罐保冷材料參數(shù)屬性，確定了儲罐熱分析荷載加載方式和取值方法。

（2）儲罐襯里最低溫度同環(huán)境溫度呈線性關(guān)系，隨著環(huán)境溫度的不斷降低，襯里溫度極值也不斷降低。襯里最低溫度同環(huán)形空間尺寸呈正相關(guān)，隨著環(huán)形空間尺寸增加，襯里溫度極值也升高。當(dāng)環(huán)形尺寸在1～1.2m左右的位置，襯里最低溫度變化相對比較緩慢。

（3）開展儲罐襯里選型研究，根據(jù)襯里溫度范圍給出儲罐襯里材料選型建議，為LNG儲罐工程設(shè)計提供參考和借鑒。