LNG储罐墙体衬里温度数值分析

2022-09-28姜永胜

低温建筑技术 2022年8期

姜永胜

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）主要成分为甲烷，是一种优质清洁能源。随着国家能源结构调整以及“双碳”目标战略推动下，天然气清洁能源消费占比的提升，配套的LNG储罐建设规模和数量也将越来越大[1]。

全容式LNG储罐是目前国内LNG接收站普遍采用的罐型，衬里位于混凝土外罐内侧，又叫蒸气隔气层，起到气密防止BOG气体泄漏到罐外的作用[2]。LNG储罐设计温度为-168℃，与外部常温环境存在巨大温差。由于不同储罐站场环境温度差异，以及储罐内部珍珠岩保冷层和热角保护系统等影响，造成不同部位的衬里温度存在差异。过低的温度会影响衬里的力学性能，可能会造成衬里结构破坏或罐底部衬里局部失稳，进而影响储罐整体气密性或底部保冷区域结构稳定性。

近年来，国内外众多科研人员和工程师致力于LNG储罐相关研究。Sangeun R和Gihun S[3]对LNG储罐的传热对流进行了相关研究，得出了接触面传热速率和固液接触面积有关；苏龙龙等[4]建立了LNG储罐LNG储罐二维温度场有限元模型，获得了储罐操作工况下的温度场分布规律；安琪等[5]分析了储罐在3种不同液位高度下罐体的温度分布规律，结果表明温度不稳定区域集中在液位高度附近；范嘉堃等对LNG储罐整体结构的热分析计算和研究，基于分析结果得出的储罐表面温度的分布情况，通过现场储罐表面温度的实测结果分析比对，能够得出储罐温度场的整体分布规律[6]。

利用ANSYS开展LNG储罐衬里板受环境温度影响分析，可以确定LNG站场的储罐衬里温度规律，给出材料推荐选型，对于开展储罐设计具有重要意义[7]。

1 LNG储罐热传递原理分析

目前我国LNG储罐主要分布在东南沿海城市，现公司在建工程项目大多为160，000～270，000m3全容式钢筋混凝土储罐。储罐外罐由钢筋混凝土浇筑而成，内罐是9%Ni钢制成，具有优良的低温性能。在内罐和外罐之间，填充膨胀珍珠岩，并在内罐外悬挂弹性毡，发挥一定的缓冲作用。在内罐顶部悬挂铝合金吊顶，上面铺设多层玻璃棉，并同墙角的膨胀珍珠岩和穹顶内侧衬里钢板一同构成一个密闭空间，见图1。

在墙体底部，专门设计热角保护系统，保护墙角不受低温应力损伤，如图2所示。

图2 储罐底部局部保冷示意图

虽然储罐采取多种保冷隔热措施，但内部-165℃同外界常温环境温差巨大，不可能与外界完全绝热，导致外界环境热量进入罐内引起LNG气化。主要传热方式主要有热传导、热对流和热辐射3种方式[8]。

热传导是在温度差作用下，两个接触物体之间或同一个物体内部不同位置之间发生的热量传递方式。热传导发生在LNG储罐外罐同保冷结构之间、保冷结构同内罐之间，是储罐最主要的热传递方式，其导热过程中的热阻计算可见式（1）[9]。

热对流是在温差作用下，固体表面同流体之间发生热量传递的方式。LNG储罐外罐混凝土凝土在环境作用下发生自然对流，热量传递至外罐，其热导率计算公式可以见式（2）[10]。

热传递是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。热辐射主要发生在外表面太阳辐射、穹顶上方BOG区域等，工程上一般只考虑穹顶上方BOG区域内的热辐射计算。

2 LNG储罐有限元模型

以某项目200，000m3LNG项目全容式储罐为研究对象，建立LNG储罐ANSYS精细化有限元分析模型。模型不仅包括了混凝土外罐的穹顶、墙体和承台主体结构，还包括了低温环梁、找平层、热角保护系统结构、HLB800和HLB2400泡沫玻璃砖、环形空间内膨胀珍珠岩和弹性毡、内罐吊顶玻璃棉等所有罐内材料。由于9%镍钢、不锈钢和沥青毡的厚度较薄，且3种材料的热传导率相较于上述其他材料明显增大，故不对其进行有限元建模，但以墙体内侧面温度作为钢衬温度[11]。整体模型如图3所示。

图3 储罐二维热分析有限元模型

采用适应性较好的平面二维热分析单元PLANE55进行网格划分。PLANE55单元具有4个节点，每个节点只有1个温度自由度，可用作具有二维热传导能力的轴对称环形单元，可用于二维、稳态或瞬态热分析。针对LNG储罐形状不规则、结构复杂等因素，采用自由网格和映射网格相结合的方式划分，并对热角保护、混凝土环梁、泡沫玻璃砖、混凝土找平层、保冷玻璃棉等局部结构进行网格细化处理[12]，如图4所示。

图4 储罐罐底细化网格

3 LNG储罐温度场分析

3.1 LNG储罐保冷材料

在LNG储罐的底部、内外罐间的环状空间、铝吊顶上方分别用泡沫玻璃砖、弹性毡、膨胀珍珠岩和玻璃棉等材料进行填充，以降低同外部环境的热传导。主要保冷材料的性能参数，如图5所示[13]。

图5 储罐主要保冷材料热传导率曲线

通过材料供货商试验，给出有限几个温度下的的热属性参数，但实际计算需要更大温度范围。根据项目材料试验数据，采用多项式拟合，计算出更多温度点的热属性数值。

3.2 LNG储罐热分析荷载

在进行储罐热分析时，主要考虑温度荷载影响，具体的荷载分类和取值说明，如表1所示。

表1 储罐热分析荷载

其中，空气对流换热对外罐壁有较大的影响，因此热分析时必须考虑空气对流的作用。空气的对流换热系数与环境温度、风速等因素有关，在计算中室温时的对流换热系数和-100℃时对流换热系数，中间温度按照线性插值。

太阳辐射对混凝土顶及穹顶空间内的温度有较大的影响，进行热分析时必须考虑太阳辐射的影响，在ANSYS软件中有专门的辐射热分析模型，只要设定辐射常数、辐射率及环境温度即可进行计算，计算中黑体辐射常数取5.67×10-8W/（m2·K4），辐射率根据材料的不同取0.75～0.95。详细的储罐温度荷载加载方法如图6所示。

图6 储罐热分析荷载加载示意图

3.3 LNG储罐热分析荷载

以项目的200，000m3储罐模型为例，开展夏季操作下储罐结构有限元热分析，并提取混凝土墙体内侧面温度作为衬里温度，绘制温度随墙体高度变化云图如图7所示。

图7 储罐衬里温度分布曲线图

结果表明衬里最低温度发生在底部区域，并随着高度增加，温度逐渐升高；衬里最高温度在最上部，是受上部保冷结构作用所致；在热角保护系统和上部保冷结构之间的区域，衬里温度保持相对稳定。

为研究外界环境温度对衬里温度影响，以项目的200,000m3储罐模型为例，模拟储罐在-40～0℃环境温度下衬里温度变化规律，提取每个环境温度下衬里最低值，绘制衬里温度随环境温度变化曲线图见图8。

图8 储罐衬里温度随环境温度变化曲线

结果表明衬里最低温度同环境温度呈线性关系，随着环境温度的不断降低，衬里温度极值也不断降低。

为研究内外罐之间的环形空间尺寸对衬里温度影响，以项目的200，000m3储罐模型为例，在保持弹性毡厚度不变的基础上，通过调整膨胀珍珠岩的厚度，模拟储罐环形空间尺寸在0.6～1.5m之间，衬里温度变化规律，提取每个环形空间尺寸下衬里温度最低值，绘制衬里温度随环形空间尺寸变化曲线图，结果如图9所示。

图9 储罐衬里温度随环形空间尺寸变化曲线

结果表明衬里最低温度同环形空间尺寸呈正比关系，随着环形空间尺寸增加，衬里温度极值也升高。当环形尺寸在1～1.2m左右位置，衬里最低温度变化相对比较缓慢。

通过上述研究表明，环境温度和环形空间尺寸均会衬里温度产生较大影响，以项目的200，000m3储罐模型为例，同时模拟储罐环形空间尺寸在0.6～1.5m之间以及环境温度在-40～0℃之间，衬里温度变化规律，提取每个环形空间尺寸下衬里温度最低值，绘制衬里温度随环形空间尺寸变化云图，结果如图10所示。

图10 储罐衬里温度随环形空间尺寸和外界环境温度变化云图

结果表明衬里最低温度同环境温度和环形空间尺寸总体呈正比关系，随着环境温度和环形空间尺寸的增大，衬里温度极值也随之升高。

4 储罐衬里材料选型建议

根据GB/T 26978.2《现场组装立式圆筒平底钢质液化天然气储罐的设计与建造第2部分：金属构件》中蒸发器容器/外罐所使用钢材表规定，对于厚度小于13mm的材料，储罐墙体衬里温度在-10～-20℃时，可以选用S235J2G3或S275J2G3或S355J2G3材质钢板；但对于金属设计温度低于-20℃时，钢板应在不超过设计温度条件下进行冲击试验，纵向冲击功值最小应为27J，满足许用要求后方可选用[14]。

另外根据存储产品与所使用钢材类型表，全容罐设计温度在-10～50℃时，可以选用Ⅱ型钢材（特种低温碳锰钢），在国内LNG储罐工程中通常选用16MNDR。

结合图7储罐衬里温度分布曲线图显示，项目储罐衬里最低温度低于-20℃，因此推荐直接选用Ⅱ型钢材，或开展低温冲击试验来验证S235J2G3或S275J2G3或S355J2G3钢板材料能否满足要求。