Modeling and Simulation
Vol.06 No.01(2017), Article ID:19337,9
pages
10.12677/MOS.2017.61001
Numerical Simulation on the Temperature Field and Thermal Stress Distribution of the 30,000 m3 LNG Storage Tank
Guoqiang Dong1, Liping Dong2, Junman Shu2, Yachen Xu3
1Daqing Drilling Engineering Corporation, Daqing Heilongjiang
2Installation Company of Daqing Oilfield Engineering Construction Co., Ltd., Daqing Heilongjiang
3Research Center of Advanced Energy Equipment Technology, Tianjin Research Institute for Advanced Equipment, Tsinghua University, Tianjin
Received: Dec. 2nd, 2016; accepted: Dec. 20th, 2016; published: Dec. 23rd, 2016
Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
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ABSTRACT
CATIA software is used to build two-dimensional and three-dimensional model of LNG storage tank. Hexahedral meshes are generated in HYPERMESH software and ANSYS software is imported to analyze overall temperature field and thermal stress distribution of 30,000 m3 LNG storage tank. According to analysis result file, the distribution regularities of temperature and thermal stress of 30,000 m3 LNG storage tank are concluded; key control points of cold insulation construction of LNG storage tank are highlighted; management of quality of cold insulation construction of LNG storage tank is tightened up and LNG construction level is upgraded.
Keywords:LNG Storage Tank, Hexahedral Mesh, Temperature Field, Thermal Stress
3万立LNG储罐整体温度场及热应力分析
董国强1，董利萍2，舒均满2，徐雅晨3
1大庆钻探工程公司，黑龙江 大庆
2大庆油田工程建设有限公司安装公司，黑龙江 大庆
3清华大学天津高端装备研究院先进能源装备技术研究所，天津
收稿日期：2016年12月2日；录用日期：2016年12月20日；发布日期：2016年12月23日
摘 要
采用CATIA软件建立LNG储罐二维、三维实体模型，在HYPERMESH软件里划分六面体网格，导入ANSYS软件计算分析3万立LNG储罐整体温度场及热应力分布。根据计算结果文件，总结3万立LNG储罐温度及热应力分布规律，提出LNG储罐保冷施工的关键控制点，加强对LNG储罐保冷施工质量的管理，提升了LNG施工水平。
关键词 :LNG储罐，六面体网格，温度场，热应力
1. 引言
随着国家经济的发展和对能源的需求增大，特别是天然气消费量逐年增长。液化天然气(LNG)是一种清洁高效的低碳能源，近年来在国内得到了快速的发展，具有广阔的市场前景。
LNG储罐作为LNG工艺的重要储存设备，其保冷结构的合理对LNG运行、输送起到至关重要作用。在大型LNG储罐的保冷施工中，往往出现工作量大，交叉作业多，施工控制环节薄弱，施工水平低，作业风险高等难题 [1] 。LNG储罐结构较复杂，保冷施工达不到要求，会造成“热短路”现象，对LNG储罐运行不利。本文通过研究3万立LNG在不同季节下的温度和应力耦合场，分析LNG储罐温度场和应力场的分布规律，对LNG储罐保冷施工具有指导意义。
2. 3万立LNG储罐结构特点
储罐的最大容积3万立方米，罐内外罐罐壁均为圆柱形(图1)。内罐高度26.212 m，内罐半径20.75 m，外罐高度35.998 m，外罐半径21.75 m。各部分结构如下，各部分材料属性如表1所示：
(1) 罐顶最里层(第一层)为0.005 m厚的铝吊顶，第二层为0.8 m玻璃纤维，第三层为空气，第四层为0.01 m厚的Q345R钢板。
(2) 罐壁最内层(第一层)是(0.008 m~0.02 m)厚的06Cr19Ni10钢板，第二层为0.3 m厚的弹性毡，第三层是0.7 mm厚的膨胀珍珠岩层，第四层为5 mm厚的Q345R钢板。
(3) 罐底最上层(第一层)是0.005 m厚的06Cr19Ni10 钢板，第二层是0.05 m厚的干沙层；第三层是0.6 m厚的泡沫玻璃砖层，第四层为0.05 m厚的沥青层，第五层为0.006 m厚的Q345R钢板，最外层(第五层)是1 m厚的混凝土层。内罐底边缘是0.4 m × 0.8 m的混凝土环梁。
3. 二维结构温度场计算与分析
3.1. 温度边界条件
储罐内罐工作温度−163℃，设计液位23.6 m。参照北方的气候特点，夏季环境温度取30℃，冬季环境温度取−30℃ [2] 。对储罐进行温度加载，采用第三类边界条件，空气对流换热系数25 W/(m2∙K)；液面与内罐吊顶甲板之间充满BOG气体，BOG气体对流换热系数取15 W/(m2∙K)。
3.2. 储罐在不同环境温度下的温度场数值模拟
取夏季、冬季环境温度对储罐温度场进行模拟，得到不同环境温度下储罐结构的温度分布(图2、图3)。
Figure 1. Cutaway view of 30,000 m3 LNG storage tank
图1. 3万立LNG储罐剖视图
Figure 2. Temperature distribution of LNG storage tank in summer
图2. 夏季LNG储罐温度场分布
Table 1. Properties of the material
表1. 主要材料属性
根据温度计算结果绘制罐底温度变化曲线图，如图4、图5所示，该图表示夏季、冬季罐底的温度场分布。从纵向看，在主容器罐底层(0~0.05 m处)，温度几乎无变化，这是因为该层主要Ni钢板及混凝土层导热系数大，传热效果好，几乎不起保温作用。在保温层(0.05~0.65 m处)中，温度梯度很大，这是因为泡沫玻璃砖起到了很好的保冷作用，使低温不容易向外扩散。在(0.65~1.72 m处)，温度与罐外温度都比较接近，这是因为混凝土和Q345R钢板的导热系数大，受罐外温度变化的影响也比较大。
如图6、图7所示，从表中横向看，温度沿罐壁厚度方向逐渐升高，在(0~0.02 m)处，温度几乎无变化，这是因为该层主要Ni钢板导热系数大，传热效果好，几乎不起保温作用。在(0.02~1 m)处，温度沿壁厚方向变化很大，这是因为弹性毡和膨胀珍珠岩，这二者具有很小的导热系数，能够很好的阻止温度
Figure 3. Temperature distribution of LNG storage tank in winter
图3. 冬季LNG储罐温度场分布
Figure 4. Temperature distribution of LNG storage tank bottom
图4. 罐底温度场分布图
Figure 5. Temperature responses with the different thickness of LNG storage tank bottom in summer and winter
图5. 冬、夏两季罐底温度随厚度变化曲线
Figure 6. Temperature distribution of LNG storage tank wall
图6. 罐壁温度场分布图
的传递，形成了很大的温度梯度；在(1~1.009 m)处，温度几乎无变化，主要是Q345R钢板的导热系数较大，受罐外温度变化的影响大。
如图8、图9所示，罐顶沿竖直方向，温度逐渐升高，温度变化最大的区域集中在玻璃棉保温层和空气层(玻璃棉与拱顶之间)。在(0~0.8 m)处主要是玻璃棉导热系数低，具有很好的保温作用；在(0.8~10.19 m)，主要是内罐与外罐之间的空气层导热系数低，温度进入该层时产生了很大的变化，起到了很好的保冷作用。
Figure 7. Temperature responses with the different thickness of LNG storage tank wall in summer and winter
图7. 冬、夏两季罐壁温度随厚度变化曲线
Figure 8. Temperature distribution of LNG storage tank roof
图8. 罐顶温度场分布图
Figure 9. Temperature responses with the different thickness of LNG storage tank roof in summer and winter
图9. 冬、夏两季罐顶温度随厚度变化曲线
如图10所示，内罐边缘处有一圈混凝土环梁，环梁的导热系数高，导致低温向拐角处有明显的延伸，沿罐底径向产生很大的热流，容易出现“热短路”现象。因此，在此处保温时，应作为关键控制点重点检查，保证泡沫玻璃砖的密实度，减少通过外罐底的漏热量，避免形成热桥。
4. 三维实体模型LNG储罐温度场数值模拟
采用CATIA软件建立了LNG储罐三维实体模型，经专业网格划分软件将储罐划分成六面体网格，并定义材料属性，导入到ANSYS软件设置边界条件，立体地、全方位查看LNG储罐各部位的传热过程，更准确实现LNG储罐的数值模拟 [3] 。图11为LNG储罐六面体网格剖视图，图12为六面体网格整体视图。
在此情况下，六面体网格是最合适的，六面体允许一个比四面体网格大的多的纵横比，网格数量少，网格质量高，计算精度高，计算的时间短。储罐直径43.5 m，壁厚最小只有0.008 m，用四面体划分出整体网格对计算机配置要求很高。图13为LNG储罐截面温度场分布图，图14为LNG储罐整体温度场分布图。
LNG储罐三维整体温度场模拟效果更为直观，部分储罐结构并不是按轴对称进行对称分布，应按照储罐的完整结构进行温度场模拟分析。
Figure 10. Temperature distribution of the concrete ring beam of LNG storage tank
图10. LNG储罐混凝土环梁温度分布
Figure 11. Hexahedral mesh of LNG storage tank in section view
图11. LNG储罐六面体网格剖视图
5. LNG储罐热应力数值模拟
由于保温材料弹性大，对结构不起承载力作用，利用“生死单元法”去掉保温材料，采用间接耦合法，分析内罐结构和外罐结构的热应力。
经计算结果显示，内罐的最大热应力为43 MPa，根据第四强度准则，最大应力远小于材料的在低温下的允许应力(图15)。应力产生的原因是由于内罐里液体温度为−163℃，液面至铝吊顶之间为BOG气体，温度大于液体温度，由此产生了热应力。
外罐由于受环境温度影响，而保冷材料起到了绝热作用，罐壁温度几乎不发生变化，产生的热应力特别小，可以忽略。
6. 结论
通过对LNG储罐二维、三维整体温度场及热应力耦合场计算分析，获得了LNG储罐温度场及热应
Figure 12. Hexahedral mesh of LNG storage tank in global view
图12. LNG储罐六面体网格整体视图
Figure 13. Temperature distribution of LNG storage tank in section view
图13. LNG储罐截面温度场分布图
Figure 14. Temperature distribution of LNG storage tank in global view
图14. LNG储罐整体温度场分布图
Figure 15. Thermal stress distribution of LNG storage tank
图15. LNG储罐内罐热应力分布
力的分布。由计算结果显示，在罐底、罐壁绝热结构交汇处的保冷施工非常重要，作为关键检查点重点监督管理，减少罐底的漏热量，提升LNG储罐施工水平，提高LNG储罐使用寿命。同时施工时应采取防潮干燥措施，防止导热系数增加，降低绝热效果。
文章引用
董国强,董利萍,舒均满,徐雅晨. 3万立LNG储罐整体温度场及热应力分析
Numerical Simulation on the Temperature Field and Thermal Stress Distribution of the 30,000 m3 LNG Storage Tank[J]. 建模与仿真, 2017, 06(01): 1-9. http://dx.doi.org/10.12677/MOS.2017.61001
参考文献 (References)