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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(dāng)前，國內(nèi)對LNG儲罐設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)、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(shí)意義。
研究大型全容式低溫LNG儲罐，其設(shè)計(jì)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(yù)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(shí)，泄漏的儲液將由外罐直接承擔(dān)。
內(nèi)罐泄漏對儲罐結(jié)構(gòu)的影響有兩個(gè)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(jìn)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(jìn)行熱力學(xué)分析，獲取T分布的溫度場，再將計(jì)算結(jié)果賦予儲罐模型，在力學(xué)分析中同時(shí)考慮卜述兩個(gè)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(xué)模型，其中，低液位時(shí)液面高度取為泄漏時(shí)泄漏液面最大可能高度的25%，中液位時(shí)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(yuǎn)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(diǎn)，作沿壁厚方向變化的溫度曲線。二種情形下的50%，液位時(shí)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(xué)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(shí)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(dāng)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(xué)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)力學(xué)分析同時(shí)考慮了結(jié)構(gòu)自重、預(yù)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(jìn)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(xué)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(qiáng)作用，4個(gè)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(shí)也會影響材料的線膨脹系數(shù)、抗壓強(qiáng)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(yù)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(kuò)，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(yuǎn)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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