大型液化天然气储罐吊顶结构设计浅析.pdf

第 4 4卷第 3期 2 0 1 5年 5月 石油化工设备 PETRO CHEMI CAI EQUI P MENT Vo1 ． 4 4 No ．3 M a v 2 015 文 章 编 号 i 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 5 0 3 0 0 3 7 0 5 大 型液化天 然气储 罐 吊顶结构 设计浅析 扬 帆 ，张 超 ，李 牧 ，陈锐 莹 ，付春艳 1 ． 中海石油气 电集 团有 限责任公 司 ，北京 1 0 0 0 2 8 ； 2 ． 中国国际工程 咨询公 司 ，北 京 1 0 0 0 4 8 摘 要 大型 液化 天然 气 I NG 储 罐 铝 吊顶 结 构 用来 吊挂 顶部 玻 璃 棉保 冷 材料 ， 国际 L NG 储 罐 承 包商 大多数都 拥 有 自行 编 制 的铝 吊顶设 计软 件 。 吊顶设计 中需考虑 吊顶及保 冷层 重 力和低 温 收缩 应力综合作用下的结构受力， 欧洲和美国等 国际储罐设计规 范中对此部分的设计描述不多， 铝 吊顶 结构设计为储罐设计难点之一。以国内某 已建 大型 L NG储罐 吊顸参数 为例 ， 对铝 吊顶计算理论 及 力 学控 制 方程进 行 了初 步探 讨 ， 并对 迭代 求解过 程 进行 了介 绍 。求解 结 果显 示 ， 吊顶结 构存在 很 大的 力学 富裕 量 ， 较 为安 全合理 。 关键 词 储罐；液化天然气；铝吊顶；设计 ；控制方程；迭代求解 中图分 类号 TQo 5 3 ． 2 ；T E 9 7 2 文献 标 志码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 7 4 6 6 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 0 9 De s i g n An a l y s i s o n S u s p e n d e d De c k o f Li q u e f i e d Na t u r a l Ga s S t o r a g e Ta nk YANG Fa n 。ZHANG Ch a o ， LI M u ， CHEN Ru i y i ng ，FU Chu n y a n 1 ．CNOOC Ga s Po we r Gr o u p Co ．Lt d ．，Be i j i n g 1 0 0 0 0 7 ，C h i n a ； 2 ． Ch i n a I n t e r n a t i o n a l En g i n e e r i n g Co n s u l t i n g Co r p o r a t i o n，Be i j i n g 1 0 0 0 4 8 ，Ch i n a -””““一 “ ” ” [ 1 o ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] YI N Xu f e i ，W U Qi a n g ，LI Na ．On s i d e As s e mb l y W e l d i n g a n d Qu a l i t y S u p e r v i s i o n o n 3 0 0 0 m C5 S p h e r i c a l T a n k [ J ] ． P e t r o c h e mi c a l E q u i p me n t ， 2 0 1 l ， 4 O 3 58 61 ． 窦万波．1 0 0 0 0 m。 大 型天 然气球 罐设 计 及制造 关键 技术研究[ D ] ． 北京 北京 工业 大学 ， 2 0 0 9 ． DOU W a n b o ． Re s e a r c h O n Ke y Te c h n i q u e s o f De s i g n a n d M a n u f a c t u r e o f 1 0 0 0 0 m Na t u r a l Ga s S p h e r i c a l S t o r a g e T a n k [ D] ． B e i j i n g B e i j i n g Un i v e r s i t y o f T e c h no l o gy， 2 00 9． 石兰权．国产化 1 0 0 0 0 m。天然 气球罐 制造工 艺方 案 r J ] ． 煤 气与热力 ， 2 0 0 9 1 0 2 7 3 2 ． SH I La n q ua n ． M a nu f a c t ur i ng Pr oc e s s Sc he me of Do me s t i c a l l y Pr o duc e d 1 0 0 00 m Na t ur a l Ga s Sph e r i c a l T a n k [ J ] ． G a s＆ He a t ， 2 0 0 9 1 0 2 7 3 2 ． 何元 新．球形 储罐 C A D 系统 研究 [ D ] ． 成 都 四J I l 大 学 ， 2 0 0 6 ． H E Yua n - x i n． Sys t e m Re s e a r c h f or Sp he r i c a l Ta nk’ S C AD [ D ] ． C h e n g d u S i c h u a n Un i v e r s i t y ， 2 0 0 9 ． [ 1 3 ]杨 占波 ， 郝春 雷 ， 朱 军 ， 等． 采 用 C AD对球 壳 自动排料 [ J ] ． 石油化工设备 ， 2 0 0 2 ， 3 1 2 4 4 4 6 ． YANO Z h a n b o， HAO C h u n - l e i ， ZHU J L i D ， e t a 1 ．U s i n g CAD t O Aut o ma t i c Di s c h a r g e t he Sph e r i c a l Ta n k’ S S h e l l [ J ] ． P e t r o c h e mi c a l E q u i p me n t ， 2 0 0 2 ， 3 1 2 4 4 4 6 ． [ 1 4 ] 贺元 成 ， 王晓明． 混合式球罐二次下料样板计算 及加工 方法E J ] ． 石油化工设备 ， 2 0 0 1 ， 3 O 5 5 7 5 9 ． HE Yu a n c h e n g， W ANG Xi a o rui n g ． Ca l c u l a t i o n a n d Pr oc e s s i n g M e t h od o f Sa mpl e Two Ti me s Un de r t he Mi x t u r e Ty p e S p h e r i c a l Ta n k[ J ] ． P e t r o c h e mi c a l E q ui pme nt ， 2 001， 3 0 5 57 59 ． [ 1 5 ]耿永丰 ， 李永 泰 ， 顾永干 ， 等． 四带球罐 的一 种新型分 带 结构I- J ] ． 石油化工设备 ， 2 0 0 8 ， 3 7 2 2 9 3 1 ． GENG Yong - f e ng． LI y on g t a i ，GU Yo ng - g a n，e t a1 ． Ne w Zone d i vi di ng St r u c t ur e f o r Fo ur - z o ne Sp he r i c a l T a n k [ J ] ． P e t r o c h e mi c a l E q u i p me n t ， 2 0 0 8 ， 3 7 3 2 9 31 ． 张 编 收稿 日期 2 0 1 4 - 1 2 - 0 1 作者简介 扬 帆 1 9 8 5 一 ， 男 ， 湖北 宜昌人 ， 工程 师 ， 硕士 ， 现主要从事 L NG项 目建设 和技术研发工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 5年第 4 4卷 Ab s t r a c t Th e a l u mi n u m s u s p e n d e d d e c k o f l a r g e l i q u e f i e d n a t u r a l g a s LNGs t o r a g e t a n k i s u s e d f or h a ng i ng t he up pe r g l a s s wo ol i n s ul a t i o n ma t e r i a 1 ． M o s t i nt e r n a t i on a l LNG c on t r a c t or s h a v e t h e i r o wn p r e p a r e d a l u mi n u m s u s p e n d e d d e c k d e s i g n s o f t wa r e ． I n t h e s u s p e n d e d d e c k d e s i g n，i t n e e d e d c o ns i d e r e d g r a v i t y o f a l u m i n um s u s pe nd e d de c k a nd i ns u l a t i on ma t e r i a l ，c r y o ge n i c s hr i n ka g e s t r e s s u nd e r t he c o m b i ne d e f f e c t s o f t he f or c e s t r u c t u r e， S O s u s p e n de d de c k d e s i g n i s on e of t h e d i f f i c ul t i e s i n t a n k d e s i gn ． Us i ng t he s us p e nd e d de c k pa r a me t e r s of on e bu i l t t a nk i n d o me s t i c LNG p r o j e c t s ，t h e s t a b i l i t y o f t h e t a n k wa s a n a l y z e d ．Th e c a l c u l a t i o n t h e o r y a n d F i n e c ha ni c s c o nt r o l e q ua t i on we r e a n a l yz e d a nd d i s c us s e d， a nd t he i t e r a t i v e s o l u t i o n pr o c e s s wa s de s c r i b e d ． Ke y wo r d s s t o r a g e t a n k；l i q u e f i e d n a t u r a l g a s ； qu a t i o n；i t e r a t i v e s o l ut i on 进 口液 化 天 然 气 L NG 是 解 决 我 国 能 源供 需 矛盾的途径之一f 1 ] 。在大型 L NG接收站 ， L NG储 罐用来储存 I N G 并为稳定供气 提供缓 冲作用 ] 。 大 型 I NG 储 罐 的 建 造 费 用 占接 收 站 工 程 费 用 的 2 O ％～3 0 ％ ， 建 造 时 间约 3 O个 月 ， 是 接 收站 工 程 的 主要 内容之一j 3 ] 。由于大型 L NG储 罐的设计和建 造技术要求高 ， 而国内大型 L NG储罐技术发展又 较晚， 因此 目前我国大型 L NG储罐大多 由国外承 包 商 完成设 计 。 大 型 L N G 储罐 铝 吊顶 结 构用 来 吊挂 顶部 玻 璃 棉保冷材料， 国内已建的大型 L N G储罐一般采用 美 国 标 准 A P I 6 2 0 De s i g n a n d C o n s t r u c t i o n o f L a r g e ， We l d e d ， L o w p r e s s u r e S t o r a g e Ta n k s 或 欧洲 标 准 E N 1 4 6 2 0 D e s i g n a n d Ma n u f a c t u r e o f Si t e Bu i l t ， Ve r t i c a l ， Cyl i ndr i c a l ， Fl a t b ot t o m e d S t e e l Ta nks f o r t he St o r a ge o f Re f r i g e r a t e d，Li q ue f i e d Ga s e s wi t h Op e r a t i n g Te m p e r a t u r e s b e t we e n 0 C a n d一1 6 5℃ u 叩 设计 ， 但上述规范 中关于储罐 吊顶 计算 的指导性 内容很 少 ， 因 此 大 型铝 吊顶 设计 为储 罐设计难点之一 。国际上 的 L NG储罐承包商一般 都拥 有 独 自编制 的 吊顶 设 计 软 件 ” ] 。文 中 以 国 内 某 已建 大 型 L NG 储 罐 的基 本 参 数 为 例 ， 分 析 了 铝 吊顶综合受力下的力学控制方程组 ， 并且给出了迭 代 计 算 方 法 ， 对 大 型 L NG 储 罐 铝 吊 顶 结 构设 计 进 行 了介 绍 。 系 并影 响 ， 整 个计 算过 程非 常繁 琐复 杂 。 吊顶设计的难点在于吊顶重力和低温收缩应力 综合作用下的结构受力 分析 ， 吊顶设计 中需同时考 虑低温运行收缩与罐内管线 的碰撞问题， 一般罐 内 管 线穿 过 吊顶 时需偏 心安装 。 2 吊顶结构介绍 储 罐 吊顶 上方 为 玻璃 棉 保 冷材 料 ， 其作 用 是 使 蒸发气量得到控制 ， 并且 防止因结 冰而出现过度罐 顶 载荷 _ 1 。 吊顶结 构 为 中心 轴对 称结 构 ， 国内某 已建 I NG 储 罐 吊顶结 构 1 ／ 2截面 示意 图 见图 1 。 一 混 凝 豫 I I _ 『 1 挖杆 外罐 J 负 辞 { 檄 加 强 环 图 1 国内某 已建 I N G储罐 吊顶结构 1 ／ 2截面示 图 该 吊顶板 由6 mm厚 的铝板 搭焊 而成 ， 吊顶 与拱 顶之 间通过 截 面 尺 寸 为 5 0 mm8 mm 的 3 0 4 I 扁 钢拉 杆 连接 ， 扁钢 拉 杆底 部通 过 螺 栓 连 接 在 吊顶 铝 板上 的同心 圆加 强 环 上 l l 。加 强 环 总共 有 1 3圈 ， 由扁 铝 竖 向焊 接在 铝 吊顶 板 上 ， 中间 加 强环 竖 向 厚度 为 2 0 mm， 最 外 圈 加 强 环 由扁 铝 焊 接 成 T 形 ， 厚 度 为 3 0 mm。 l 吊顶设计难点 3 吊顶 力学分析 针对 吊顶铝板 的每一圈及每一圈吊杆 ， 必须考 虑 设计 工况 吊顶 下方 低 温蒸发 气体 带来 的 收缩作 用 及重 力荷 载 、 维 修工 况载 荷组 合 ， 因此各 圈 吊顶及 各 圈拉杆 必 须考 虑 每一 根 拉 杆 相 互 间综 合 力 及 变 形 作用 在水平方 向上低温收缩变形及受力都相互联 3 ． 1 固定荷载 吊顶保 冷 玻 璃 棉 共 1 O层 ， 每 层 厚 度 1 0 0 mm， 密度 1 6 k g ／ m。 。施 工 载 荷 按 照 l 0 0 0 N／ m 计 算 ， 固定 载荷 为 吊顶板质 量 以及保 冷玻 璃棉 质量 产生 的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 扬 帆 ， 等 大型液化天然气储罐 吊顶结构设计浅析 重 力 。 加强环 的质量 由拉杆承受并传递到拱顶上 ， 近 似认为不会影响吊顶板 的应力分布 ， 拉杆和加强环 需单独 校 核 。在 吊顶 外 缘 ， 由膨 胀 珍 珠 岩 粉 末 产 生 的垂直载荷作用到最外第 1 3圈加强环 ， 其线荷载最 大值 约 为 2 1 7 9 N／ m。 3 ． 2 加强环与吊杆间竖向载荷 不锈钢扁钢拉杆均布连接在加强环上 ， 假定每 圈加强环承担其两侧各半 圈铝 吊顶板载荷 图 2 ， 且 同一 圈加强 环上 各拉 杆受 力均 匀 。 I ’～ - ～ 、 、 ～ ＼ l I 匿 匿 匿 匿 c 一 ●● ●● ●●●●_ ’ 垛 缺 撩 赫 ● 叫 叫 图 2 重力作用下 L NG储 罐铝板下垂后 1 ／ 2轴对称示 图 3 ． 3 温度荷 载 低温 应 力 吊顶 的正 常 工 作 温 度 为 一1 6 3。C， 最 高 环 境 温 度 为 4 0℃ 。吊顶两 侧 的温差 极小 ， 对 位移 和应 力几 乎没有影响。由施工温度降到工作温度而引起的径 向收缩量为实际半径乘温度变化范围内的综合温度 系数 。对 最 外 圈 加 强 环 而 言 ， 收 缩 量 为 3 9 5 0 0 0 ． 0 0 3 9 1 5 4 ． 1 mm， 该 圈 加 强 环 上 吊杆 的长 度 为 3 0 4 8 mm， 因 此 每 根 吊 杆 发 生 倾 斜 的 角 度 为 0 ． 0 5 1 r a d 约 3 。 ， 由此产生的载荷不到垂 直载荷的 6 ， 不需 考 虑 。 另 外 ， 施 工 时会对 前 9排 吊杆 进行偏 移 补偿 ， 以 消除工作时因径向收缩产生的载荷 。 4 吊顶 结构 力学控 制方程 吊顶 由同心的 圈 ” 一1 3 铝板组成 ， 吊顶中问 部位为第 1圈， 其轮廓假定为球面的一部分 ， 其余各 圈看 作 圆环 面的一 部分 图 2 。 4 ． 1 铝板 4 ． 1 ． 1 第 1圈 铝 吊顶 板 在 综合 荷 载 作 用 下下 垂 呈 球 面 轮廓 ， 见 图 3 。 图 3 吊顶中间第 1圈铝板受力 第 1圈垂直 力分 量 F 、 ， Fv l 一 1 一 譬 丁c 式 中， 为单 位 面积 上 的 自重 及 活 载荷 之 和 ， N／ m ； R 为 第 1圈加 强环 到浮 顶板 中心 轴线 的距 离 ， I n 。 切 向应 力 r 一 ／ Fv l FH 1 一 q R 1 一 2 t 式 中 ， F 为第 1圈水 平 力 分 量 ， N； t 为 吊顶 板 材 的 厚度 ， 尺 为第 1圈铝板曲率半径， mm。 倾 角 一a r c t a n F v 1 ／ f H 1 ， 端 点水 平 位 移 1 一 R 1 一 s i n 。 4 ． 1 ． 2 第 2 ～第 1 3圈 在综合荷载作用下， 铝 吊顶板第 2 ～第 1 3圈铝 板下 垂 呈环 面轮 廓 ， 见 图 4 。 憝F．LY IN ． ＼oo ．g ] “-F’ 图 4 吊顶 第 2 ～ 1 3圈铝 板 受 力 切 向应力 r r一 qb r t a 6 n 、 ， 厶 ， 式中， a为平均半径 ， b为曲率半径 ， r为该圈 中心到 轴线 的距 离 ， mm。 对第 圈， 平均半径 R 一 R 一 R ／ 2 ， 外侧 切 向应 力 、 内侧 切 向应力 r 分 别 为 一 q R⋯ R R 一 q R 3 R 十R 一 1 ” 2￡ R 4 R q R “ 2 堡 一 垦 R 一1 4￡ R 一 】 外 侧 与 内侧 切 向应力 之 比为 一 r 一 R 一 l 3 R R 一l “ r ． R 3 R 一1 尺 外 侧竖 直力 分量 F 、 ， 。 一y ． F、 ， 竖 向载 荷 W 一 q n R 一R 一 一2 7 r F v ⋯ R 一 ， Fv ． R ， 圈内侧 切 向应 力竖 直分 量 q R 一 R l 2 尺 I R 设 圈 内侧切 向应 力 水 平 分 量 为 F ， 则 外 侧 水 平 分量 F 一 F ， 倾 角 0 一a r c t a n F v ． ／ F ， 则 内侧切 向应 力 一 ～一 _ 曲率半径 3 R 一 R 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 5年第 4 4卷 R e． 一 等 水 平位 移 8 一 2 R 0 一 s i n 0 4． 2 力 口 强 环 设 加强 环 横 截 面 积 为 A ， 水 平 载 荷 为 F ， 则 第 圈位 置处径 向位 移 一 FH R 0 一1 ■ 式 中 ， E 为铝材 料 弹性模 量 。 P a 。 对第 1 ～ 1 2圈 加 强 环 ， 其 上 等 效 载 荷 F 一 F ， F ； 对 第 1 3圈 加 强 环 ， 其 上 等 效 载 荷 F 一 FH R J 3 。 对第 1 3圈加强环 ， 加 强环 变 形 位 移 。 为 初 始 估值 ； 对第 1 ～1 2圈加强环 ， 变形位移 一 l 。 5 吊顶 结构求解 5 ． 1 迭代求解步骤 ①估计第 l 3圈加强环 的径向位移 。 ， 其初值 应使环向应力约为 5 0 MP a 。②计算能够使第 1 3圈 加强环产生水平位移 的水平载荷 F ， 计算第 1 3圈 吊顶板 外侧 的 载荷水 平分 量 F H o 。 。③计 算 第 1 3圈 吊顶板 内侧的载荷水平分量 F 。 和第 1 3圈吊顶板 的水平 位移 ⋯④ 计算 第 1 2圈加 强环 的位移 ⋯ 如 果 为负值 ， 返 回第 ① 步调 整 位 移 初 值 。⑤ 计 算 能 够 使第 1 2圈加强 环 产生水 平位 移 的水平 载荷 F ， 计算第 1 2圈吊顶板外侧的载荷水平分量 F 。 。⑥ 计 算第 1 2圈 吊 顶 板 载 荷 水 平 分 量 F 和 第 1 2圈 的水平 位 移 ⑦ 重 复 第 ④ 、 ⑤ 、 ⑥ 步 ， 计 算 第 1 1 圈、 第 1 O圈、 ⋯ 、 第 3圈、 第 2圈吊顶板的载荷水平 分 量及 水平 位移 。⑧ 计算 第 1圈加 强环 的位 移 ， 如 果 为负值 ， 返 回第 ① 步 调整 位 移 初 值 。⑨ 计 算 能 够使第 1圈加强环产生水平位移 的水平 载荷 F ， 计 算第 1圈 吊顶 板外侧 的载荷 水 平分 量 H 和水 平 位 移 ． 。⑩ 比较 第 1圈加 强 环 的位 移 和 第 1圈 吊顶板的位移 。调整位移初值 ， 重复 以上 过程， 直至 二者 之差 在 可接 受 的误 差 极 限 内 ， 迭 代 的 控 制极限为 l 一 ／ 8 I 5 。 5 ． 2 计算 结 果 5 ． 2 ． 1 吊顶 板 第 1圈～ 第 1 3圈 吊顶 板 对 应应 力 与变 形位 移 见表 1 。 表 1 铝 吊顶 板 应 力与 变 形 位 移 第 ”圈 垂直位移／ ram 应力／ MP a 查 文献 [ 7 ] 表 Q 3 ， 吊顶 板 材 料 B 2 0 9 5 0 8 3 一 的 许 用应 力为 9 2 MP a ， 搭 焊 的焊接 接 头 系数 为 0 ． 3 5 ． 故 最大应 力 3 1 ． 7 MP a 3 1 ． 7 MP a ， 同 样 合 格 。通 常 吊顶 最 大 位 移要求 小 于 7 5 mm， 因此结 果满 足要 求 。 5． 2 ． 2 加 强 环 第 1圈～第 l 3圈铝加强环对应应力与变形位 移 见表 2 。 表 2中应 力 负值 表 示 受 压应 力 ， 数 据 显 示应 力 值 较低 且 分 布 合 理 。加 强 环 径 向 位 移 在 0 ． 0 2 ～ 1 5 ． 8 3 mm， 数值 较小 ， 加 强 环仍 处 于 弹性 应 力范 围 内。加 强环 材料 许用 应力 取值 为 6 8 MP a ， 表 2中数 据 均小 于 6 8 MP a ， 说 明加强 环 在荷载 作 用下能 够满 足 力学 要求 。 表 2 铝加强环应 力与变形 位移 第 ”圈 径 向位移／ mm 应力／ MP a 5 ． 2 ． 3 拉 杆 铝 吊顶结 构 第 1圈 ～ 第 1 3圈不 锈 钢 拉杆 受 力 及应 力 见表 3 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 扬帆 ， 等 大型液化天然气储罐 吊顶结构设计浅析 4 1 表 3不 锈 钢 拉 杆 受 力 及 应 力 查阅文献[ 7 ] 中的表 Q3 ， A2 7 6 ～ 3 0 4 I 的许用应 力 为 1 5 5 MP a ， 远 大 于 表 中最 大 应 力 2 9 ． 9 MP a ， 校 核合格 。 6 结语 以国 内某 已建 L NG 接 收 站 项 目大 型 L NG 储 罐 吊顶参数为例 ， 分析 了吊顶结构综合受力下 的力 学 控制 方程 ， 对 吊顶结 构进 行 了力 学 分 析 。采 用 迭 代计算方法对吊顶结 构进行求解 ， 结果显示该储罐 吊顶结构在力 学上有很大 富裕量 ， 较为安全合 理。 在 吊顶工 程设 计 阶段 ， 应 考 虑低 温 运 行 收缩 与 罐 内 管线的碰撞问题 ， 一般罐 内管线穿过 吊顶时需偏心 安装 。 参考文献 [ 1 ] 扬帆 ， 张超 ， 邓青． 大型 L NG储罐 内罐 稳定性设计方案 比选[ J ] ． 油气储运 ， 2 0 1 2 ， 3 1 1 1 8 3 0 8 3 2 ． YANG F a n ， Z HANG Ch a o ． DENG Qi n g ．Th e S t a b i l i t y De s i gn f or I nne r Ta nk of t he La r ge LNG S t or a ge T a n k [ J ] ． Oi l G a s S t o r a g e a n d Tr a n s p o r t a t i o n ， 2 0 1 2 ． 3 1 1 1 8 3 0 8 3 2 ． [ 2 ] 李海润 ， 徐嘉 爽 ， 李兆慈． 全容式 L NG储罐 罐体温度场 计算及分析[ J ] ． 油气储运 ， 2 0 1 2 ， 3 1 4 1 5 - 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