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天然氣作為優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保的能源被廣泛使用，其地位也是越來越重要。LNG ( Liquid fied Natural Gas，液化天然氣)儲罐作為天然氣儲存、調(diào)峰的重要設(shè)備而被廣泛建設(shè)，其結(jié)構(gòu)也不斷完善并呈現(xiàn)大型化的趨勢。為打破國外在該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，節(jié)約LNG儲罐的建造成本，國內(nèi)已經(jīng)開始了大型常壓低溫LNG儲罐的研究工作。
當前，國內(nèi)對LNG儲罐設(shè)計和建造的研究較少，采用較多的是歐美規(guī)范。主儲罐泄漏是歐洲標準BS EN14620規(guī)定的儲罐結(jié)構(gòu)偶然作用工況之一，是結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析中必須考慮的一類情況。因此，LNG主儲罐泄漏后結(jié)構(gòu)在低溫下的有限元分析，具有重要的理論與現(xiàn)實意義。
研究大型全容式低溫LNG儲罐，其設(shè)計容量為1.6 x e5平。全容式儲罐由9%鎳合金鋼質(zhì)內(nèi)儲罐與預應(yīng)力鋼筋混凝土外罐組成，如圖所示。正常工作情況下，低溫LNG儲液被儲存于鋼質(zhì)內(nèi)罐中，而主儲罐泄漏是指內(nèi)儲罐液體泄漏至內(nèi)外罐之間的情況，此時，泄漏的儲液將由外罐直接承擔。
內(nèi)罐泄漏對儲罐結(jié)構(gòu)的影響有兩個方面，一是泄漏液體對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接的附加荷載，另外一方面是超低溫-165℃液體泄漏引起結(jié)構(gòu)溫度場重分布，進而影響結(jié)構(gòu)的受力情況。本研究首先對內(nèi)罐泄漏后的儲罐結(jié)構(gòu)進行熱力學分析，獲取T分布的溫度場，再將計算結(jié)果賦予儲罐模型，在力學分析中同時考慮卜述兩個方面對儲罐結(jié)構(gòu)的影響。
為考慮泄漏液位的影響，在內(nèi)罐泄漏工況下分別建立高液位、中液位、低液位三種情況下的即熱力學模型，其中，低液位時液面高度取為泄漏時泄漏液面最大可能高度的25%，中液位時取與泄漏液體接觸面附近，此值接近于泄漏液體的溫度(-65°C），溫度最高值出現(xiàn)在遠離液面的罐壁外表面，最高值接近于環(huán)境溫度(20°C)。
在不同液位工況的模型中，距罐底5.8m高度處均處于泄漏液面范圍內(nèi)，選取該位置的罐壁截面，以罐壁內(nèi)側(cè)為起點，作沿壁厚方向變化的溫度曲線。二種情形下的50%，液位時取100%。內(nèi)罐泄漏(中液位)后儲罐外罐不同部位的溫度分布情況。
不同液位下儲罐結(jié)構(gòu)的熱力學分析結(jié)果主要數(shù)據(jù)。由于混凝上分熱性井，在液面范圍外，混凝土溫度將迅速哀減到正常水平，致使低溫液體的影響范圍有限。三種液位下，儲罐結(jié)構(gòu)溫度場的溫度最低值和溫度最高值均隨i時間保持一致，溫度最低值出現(xiàn)在儲罐溫度變化曲線保持。致，罐壁內(nèi)側(cè)的溫度值均為-164.733°C ，罐壁外側(cè)的溫度值均為-32.42°C ，內(nèi)外側(cè)之間溫度呈線性變化。在泄漏液體高度范圍內(nèi)，泄漏液面高度對某一高度上罐壁溫度分布的影響并不顯著。
不同液位下，儲罐罐壁厚度中心處沿高度力-向上的溫度變化曲線存在諸多相似之處。在泄漏液面以下的大部分區(qū)域，壁厚中心處的溫度值均穩(wěn)定在一98.3℃附近;在泄漏液面附近，其溫度隨高度的上升而迅速增長到5.1°C左右，當高度超出液面一定范圍后，溫度則再次保持相對穩(wěn)定，對高度不再敏感，在罐壁與罐頂交界處，溫度又略有上升。不同泄漏液位對結(jié)構(gòu)溫度場影響的主要差異在于結(jié)構(gòu)受到影響的高度范圍不同。
在上述熱力學分析的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)力學分析同時考慮了結(jié)構(gòu)自重、預應(yīng)力、可變荷載、泄漏液體荷載、溫度場等荷載，并依據(jù)規(guī)范進行了荷載組合。高、中、低液位泄漏與無泄漏四種工況下的力學模型間主要差異在于泄漏液體對結(jié)構(gòu)體的影響，具體而言，一方面，泄漏的液體受重力影響直接對罐壁產(chǎn)生壓強作用，4個模型的罐壁內(nèi)側(cè)液壓范圍及取值不同，另一方面，受泄漏液體的低溫影響，不同工況下儲罐罐體的溫度場存在著較大差異，低溫將造成材料的收縮，同時也會影響材料的線膨脹系數(shù)、抗壓強度等材料屬性。
內(nèi)罐泄漏工況下液位對結(jié)構(gòu)的溫度場、位移情況、應(yīng)力分布等均有顯著影響。內(nèi)罐泄漏對結(jié)構(gòu)位移的影響顯著。低溫作用與預應(yīng)力引起結(jié)構(gòu)收縮，而附加液體荷載則造成罐壁外擴，這兩方面作用對結(jié)構(gòu)水平方向上的位移影響最大。隨著泄漏液位高度的增加，結(jié)構(gòu)的最大位移值亦隨之增加。無泄漏模型的最大位移發(fā)生在罐壁中部，低液位模型的最大位移發(fā)生在8.700m處，中液位模型的最大位移發(fā)生在11.600m處，高液位模型的最大位移發(fā)生在28m處，即結(jié)構(gòu)的最大位移均出現(xiàn)在泄漏液體作用高度范圍中部區(qū)域，但隨著泄漏液體表面高度的增加，其位置有下移趨勢。罐壁上部及下部位移均較中部為小，這是由于罐壁下部受到罐底約束影響，而罐壁下部受到罐頂?shù)闹巫饔�。由于罐頂部分遠離泄漏液體，溫度及附加泄漏液體荷載對此部分影響較小，其位移主要是由罐頂活荷載與自重決定的，因此，四種工況下罐頂部分的位移接近，罐頂最大位移均出現(xiàn)在罐頂幾何中心處。
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