大型液化天然气储罐内罐寿命计算分析.pdf

第 4 3卷第 6期 2 0 1 4年 1 1月 石油化工设备 PETR 一 CHEMI CAL EQUI PME NT Vo1 ． 43 NO． 6 NO V．2 01 4 文 章 编 号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 4 0 6 0 0 4 6 0 4 大型液化天然气储罐内罐寿命计算分析 扬 帆 ，付春艳。 ，张 超 ，陈团海 1 ． 中海石 油气 电集团有限责任公司 ，北京 1 0 0 0 2 7 ； 2 ． 中国国际工程 咨询公司 ，北 京1 0 0 O 4 8 摘要 大型 液化 天然 气 L NG 全容罐 是 L NG接 收站 项 目中最 重要 的设备之 一 ， 在 L NG低 液 位与 高液位循 环操 作期 间 卸船 周期 内 、 大修 时空液 阶段 、 水压 试验 与 试 验 水排 空 等循 环 使 用 中， 受低 温 收缩 、 液位 变化 等影响 ， 内罐 壁一 底连 接 大 角焊 接接 头 、 壁板 、 锚 固带 等危 险 部 位会 产 生材 料使 用 疲劳， 若按 L NG储罐 5 0 a 设计寿命考虑， 需对内罐易疲劳关键部位进行材料疲劳校核分析。以国 内某 已建 L NG储 罐 为例 ， 针对储 罐在 预 冷 、 水 压试验 、 低一 高液位循 环使 用等工 况 ， 对 内罐 底部 大 角 焊接接 头 、 罐 壁 板 、 锚 固带等部 位材 料进行 了材料 疲 劳失效 风险 分析 ， 对 内罐 5 0 a设 计 寿命 进行 了 校核 分析 。 关键 词 液化天然气储罐；内罐 ； 设计使用寿命；材料疲劳； 计算分析 中图分 类 号 TE 9 7 2 ；T Q0 5 3 ． 2 文献标 志 码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 _，， ． ． i s s n ． 1 0 0 0 ～ 7 4 6 6 ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 1 2 Ca l c u l a t i o n An a l y s i s o n I n n e r Ta n k De s i g n Li f e o f La r g e Li q u e f i e d Na t u r a l Ga s Ta nk YANG Fa n ， FU Chu n y a h ， ZHANG Cha o ， CHEN Tu a n 。 ha i 1 ．CNOOC Ga s Po we r Gr o u p Co ． Lt d ． ，Be i j i n g 1 0 0 0 2 7 ，Ch i n a 2 ． Ch i n a I n t e r n a t i o n a l En g n 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，B e i j i n g 1 0 0 0 4 8。Ch i n a Ab s t r a c t La r g e l i q u e f i e d n a t u r a l g a s LNGf u l l c o n t a i n me n t t a n k i s o n e o f t h e mo s t i mD o r t a n t e q u i p me n t s i n LNG t e r mi n a l p r o j e c t ．Du r i n g t h e i n n e r t a n k o p e r a t i n g f r o m h i g h o p e r a t i n g l e v e l t o l o w o p e r a t i n g l e v e l u n l o a d i n g c y c l e ，o v e r h a u l p h a s e wi t h n o l i q u i d ，h y d r o s t a t i c t e s t i n g a n d e mpt ying t e s t wa t e r r e c yc l i ng o p e r a t i ng c on di t i o ns，a s c r y o ge ni c s hr i n ka g e a nd l i qu i d l e v e l c h a n ge s，t he r e i s a l a r g e mat e r i a l f a t i gu e d a m a ge i n t h e i n ne r t a nk s he l l a n d f l o or i u nc t i o n f i l l e t we i d s ， s h e l l ，a nc h or s t r a p e t c ． I f c o ns i de r i n t he 5 0 y e a r s de s i g n l i f e o f LNG t a n k ，i t ne e d c h e c ki ng t h e f a t i g ue f a i l u r e a n a l ys i s f o r t he ke y pa r t s ．Us i n g t h e p a r a me t e r s o f o n e b u i h t a n k i n d o me s t i c LNG p r o j e c t s ，a n a n a l y s i s wa s ma d e f o r t h e ma t e r i a l f a t i g u e o f t h e i n n e r t a n k s h e l l a n d f l o o r j u n c t i o n f i l l e t we l d s，s he l l ，a nc h or s t r a p i n c o mmi s s i o ni n g，hy d r o s t a t i c t e s t i ng ，1 ow a nd hi g h l e v e l r e c y c l i n g op e r a t i ng c o nd i t i o ns ．At l a s t ，t he 5 0 y e a r s d e s i g n l i f e o f LNG i nn e r t a nk wa s c he c ke d ． Ke y wo r d s l i q u e f i e d n a t u r a l g a s t a n k； i n n e r t a n k； d e s i g n l i f e ； ma t e r i a 1 f a t i g u e ； c a l c u l a t i o n a na l y s i s 大型液化天然气 L NG 储罐是 L NG接收站 中 的重要设备之一 。国内某在建 L NG项 目中的储罐 为全容罐 图 1 ， 单罐储存净体积 1 6万 F f l s 。 该 L NG储 罐 外 罐 由钢 筋 混 凝 土 承 台 、 后 张 拉 式预应力混凝土罐 壁、 钢筋混凝土罐顶 组成 ， 罐 底 承 台 与罐 壁 、 罐 壁 与 罐 顶 均 采 用 刚 性 连 接 。外 罐 收稿 日期 2 0 1 4 0 6 0 8 作者简介 扬 G 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 第 6 期 扬 帆 ， 等 大型液化天然气储罐 内罐寿命 计算分 析 壁高 3 9 ． 0 m、 内径 8 2 ． 0 r n 、 外径 8 3 ． 4 m。外罐拱 顶 最高 高 度 5 0 ． 3 8 2 m、 拱 顶 中心 厚 度 为 0 ． 4 m。 承 台厚 度 为 1 ． 0 m， 承 台 外 径 8 9 ． 1 0 I T I ， 承 台 离 地 面 1 ． 5 r f l 。储 罐 基 础 为 高架 空 桩 基 础结 构 ， 每个 罐 3 7 6根桩 ， 桩 径 1 ． 5 m。内、 外 罐环状 空 间和悬 挂 内 吊顶采 用 绝 热 材 料进 行 保 冷 l 】 ] 。 内罐 处 于 2 O。C 到 一1 6 5℃ 如 预 冷 工 况 环 境 ， 内罐 直径 收 缩 量 约 为 1 6 c mⅢ ， 罐 壁 所 受 液 压 大 小 随 L NG 液 位 高 度 变 化 而 变化 _ l2 ] 。 璃 内罐 、 铝 吊顶 弹性毡 膨胀珍珠岩L N G 热角保护系统 弹性毡 混凝土承 台 混凝 土外罐 二层底 图 1 某在建大 型 L NG全容储罐结构示 图 在 L NG高 液 位 与 低 液 位 的循 环 过 程 中 ， 内 罐 以及 相连 部位 会有 疲 劳失 效 的危 险 ， 典 型 的 易 疲 劳 部位出现在内罐加强圈、 内罐壁一 底部连接处大角焊 接接头、 锚 固带与 内罐壁焊接点 以及热角保护系统 等处口 ] 。从储罐安全运行的角度来 考虑 ， 需要 对上 述易疲劳部位进行 寿命校核 ， 以满 足储罐设计寿命 5 0 a 的要 求 。 1 内罐底部大 角焊接接头疲劳寿命校核 1 ． 1 疲劳分析 内罐壁板与底板连接处大角焊接接头及安装尺 寸见 图 2和 图 3 。 在水 压试 验 与排水 工况 、 L NG 高液 位 与低 液 位 之 间循环 使用 时 ， T型 焊接接 头 图 2中趾点 a 、 b 、 C 、 d点 应力变化较大 ， 带来材料本身使用疲劳。要保 证内罐 5 0 a 设计寿命 ， 需要对此 T型焊接接头进行 寿命 校核 。 ＼ 7 “ ＼ ＼ ． 图 2 L NG储罐 T型大角焊接接头简图 b ． ． ． 、 壁板 占 { ．． 4 ＼ t 。 _ ＼ ＼ ． R 40 0 8 5 -叶 ＼ 彩 『芷 搞 图 3 T型大角焊接接头安装尺寸 图 1 ． 2 应力循环变化分析 内罐高 3 6 ． 1 m， 最下 圈壁板厚 2 6 mm， 环形底 板厚 1 8 mm， 最高正常操作液位为 3 4 ． 3 6 m， 最低正 常操 作 液位 为 2 ． 4 r n ， 充 装 循 环 周 期 卸 船 周 期 为 6 d ， 5 0 a的高一 低 液位 循 环 次 数 为 3 0 4 3次 ， 水 压试 验 1次 。 采用有限元 软件 An s y s建立 内罐 轴对称壳单 元模型 ， 分别对低一 高液位运行工况和水压试验工况 进 行模 拟计算 ， 得 到 T型 焊 接接 头 危 险趾 部 各 点应 力值与趾部各点应力变化量 循环变化应力 ， 具体 计算结果见表 1 。表 中正值表示拉应力 ， 负号 表示 压 应力 。 1 ． 3 疲劳寿命计算 文献E 4 ] 附录 C对金属材料疲劳分析和寿命 计 算理论进行了介绍， 应力变化范围内的最大循环次 数 N 的计 算公 式 如下 NA／ S 1 式 中 ， 5 为最 大应 力循 环 变化 范 围 ， MP a ； N 为 最 大 许用循环次数， N 不大于 1 0 7次； A、 为常数 ， 取值 分类见文献[ 4 ] 表 c ． 1 。 表 1 图 2中焊 接 接 头 趾 部 各 点 应 力 分 布 MP a 工况 第一 主应力 第二主应力 Ⅱ D C 3 41 31 8 8 2 l 2 1 3 3 8 3 0 5 7 43 1 4 0 3 1 0 1 l O 1 1 1 O 一 1 7 0 1 7 1 6 d 一 87 3 8 4 9 4 最高操作液位 最低操作 液位 应 力循环 幅度 水压试 验 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 8 石油化工设备 2 0 1 4年第 4 3卷 按照文献[ 4 ] 附录 C ． 3 ． 4 ． 3 ． 2 ， 内罐大角焊接接 头归 为 E类 接 头 。对 于 E类接 头 ， 当 N 5 0 a ， 满足设 计 要求 。 2 内罐壁板 、 锚 固带疲劳寿命校核 2 ． 1 疲劳工况分析 该 L NG 储 罐 锚 固 带 截 面 尺 寸 为 2 0 0 I T l m x 1 6 mm， 共 1 5 4根 ， 沿 内罐 外 边 缘 均 匀 布 置 。在 低一 高操作液位壁板与锚 固带连接处 位移径 向变化 、 预 冷 等工况 作 用影 响下 ， 壁板 、 与壁 相连 的锚 固带 不 断 处 于张 拉 、 收 缩 状 态 ， 或 处 于 收 缩 应 力 大小 变 化 状 态 ， 各循 环 过程 中 内罐 壁板 、 锚 固带材 料本 身产 生疲 劳 ， 不 同工况 下壁 板 和锚 固带 低 温收缩 量 、 变形 位移 等有所不 同， 见图 4 。 f a 高操作液位 、地震工况 b 预冷工况 水压试验 图 4 内罐壁板一 锚 固带连接处各工况下收缩变形量 在高操作液位工况下 ， 内罐 一1 6 5℃时的半径 在 S S E E地震工况 5 0 0 0 a一 遇地震 下 ， 收缩量为8 0 mm， 而 由液压作用 向外 的膨胀量为 内罐一1 6 5℃时的半径收缩量为8 0 mm， 由液压 一 5 2 mm， 罐 壁一 锚 固 带 连 接 点 实 际 变 形 2 8 mm 作 用 向外膨胀 量 为 一5 2 mm， 罐 壁一 锚 固带 连 接 点实 表示收缩方向为径向， 一表示 与径 向相反 ， 向外 际变形2 8 mm， 每根锚固带竖向拔力 9 1 3 k N。内 膨胀 ， 下 同 。 罐泄漏时 ， L NG泄漏进入环形空 间， 所有工况 下锚 预冷 工 况下 内罐 低 温 径 向收 缩 量 8 0 mm， 由 固带温 度 即为 L NG温度 一1 6 5。 C， 故 不单 独分 析此 液压作用向外膨胀量 0 mm， 罐壁一 锚 固带连接点实 荷载工况。 际变形8 0 I T l m。最低正常操作液位时 ， 液位相对 较低 液位 2 ． 4 m ， 壁板液压作用相对膨胀量较小， 收缩量近似认为与预冷工况相同。 在水压试验工况下 ， 内罐 由液压作用 向外 的膨 胀量为一6 8 1 T l r f l ， 罐壁一 锚 固带连接点实际变形量为 一 6 8 mm 。 在 OB E地震工况下 4 7 5 a 一遇地震 [ 5 - 8 ] ， 内罐 一 1 6 5℃时 的半 径 收 缩 量 十8 0 mi l l ， 由液 压 作 用 向 外膨胀量一5 2 mm， 罐壁一 锚固带连接点实际变形 2 8 I 1 3 ． 1 1 1 ， 每 根锚 固带 竖 向拔 力 4 1 3 k N。 2 ． 2疲劳寿命计算 2 ． 2 ． 1 内罐壁板 采用有 限元软件 An s y s建立 轴对称罐壁模 型 进行低一 高液位运行工况和水压试验工况力学分析 ， 结 果 分别见 表 2 、 表 3 。 表 2 罐壁最大 液压膨胀位移 点处 受力及偏移 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 扬帆 ， 等 大型液化天然气储罐 内罐寿命计算分 析 4 9 表 3壁板底部最大 液压膨 胀位移点处 应 力分 布 MPa 由式 1 计算 得 到高一 低液 位 循环 间许 用循 环 次 数 N。 一5 7 8 6次 ， 按 照 6 d卸船 一次 的频率 ， 罐壁 疲 劳 寿命 为 N。 ／ 3 6 5 ／ 6 一9 5 ． 1 a ， 大 于 5 O a的设计 寿 命 ， 满足设计要求 。 2 ． 2 ． 2 锚 固 带 锚 固带的上端搭焊在 内罐壁上 ， 而下端则穿过 储罐罐底绝热层埋入到} 昆凝土承台中， 用来 克服地 震作用下内罐可能发生 的抬升， 起到保护 内罐稳定 的作用 。 。设计寿命或使用寿命 内经历一次 O B E 或 者 S S E地 震 ， 常 规 设 计 中 已经 进 行 了校 核 ， 此 处 不再计算 。 参考文献 E 4 ] 附录 c， 计算得到高一 低液位循 环 间锚 固带 许 用 循 环次 数 N。 一5 1 7 8次 ， 按 6 d卸 船 一 次 的频 率 ， 罐 壁 疲 劳 寿命 为 N。 ／ 3 6 5 ／ 6 一8 4 大于 5 0 a的设计寿命 ， 满足设计要求 。 3 结语 a ， 大型 L NG储罐 内罐在 高一 低 液位循环操作 、 水 压试 验 与试 验水 排 空循 环工 况 等 过 程 中 ， 会 对 内罐 相 连 部 位 带 来 疲 劳 失 效 危 险[ 1 。 以 国 内某 已 建 L NG储罐 内罐 参数为例 ， 对 内罐易疲 劳关键部 位 壁板 、 锚 固带 、 T型大角焊接接头 进行了材料疲劳 寿命校核分析 ， 得 出内罐体各疲 劳危 险部件满足设 计寿命 5 0 a的要求。 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 I- J ] ． 油气储运 ， 2 0 1 2 ， 1 2 1 1 3 7 3 9 ， 9 4 ． YANG F a n， ZHANG Ch a o， DE NG Qi n g ．Th e S t a b i I i t y De s i g n f o r I nn e r Ta nk of t he La r g e LNG St o r a g e T a n k [ J ] ． O i 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 ， 1 2 11 37 39， 94． [ 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 ] ． 天然气与石油 ， 2 0 1 2 ， 3 1 4 1 5 1 9 ， 9 7 9 8 ． I I Ha l - r u n， XU J i a - s h u a n g， L I Z h a o - c i ． Ca l c u l a t i o n a n d An a l ys i s o n Te mpe r a t ur e Fi e l d of Fu l l Co nt a i n me n t L N G S t o r a g e T a n k [ J ] ．Na t u r a l G a s a n d O i l ， 20 l2， 3 l 4 1 5 1 9， 97 9 8． [ 3 ] 黄群 ， 夏芳． L NG储罐 国产 化 的可行性 [ J ] ． 天 然气 工 业 ， 2 0 1 o， 3 0 7 8 0 8 2 ． HUANG Qu n， XI A F a n g ． A Fe a s i b i l i t y S t u d y o f C h a i n a ma d e L NG S t o r a g e T a n k s[ J ] ．N a t u r a l G a s I n ～ du s t r y． 201 0， 3 0 7 8 0 8 2 ． r 4 ] B S PD 5 5 0 0 ， Un f i r e d F u s i o n W e l d e d Pr e s s u r e Ve s s e l s ． 2 o o o E s ] ． E s ] E N 1 4 6 2 0 ， De s i g n a n d Ma n u f a c t u r e o f S i t e B u i l t ， Ve r ～ t i c a 1 ． Cy l i n d r i c a 1 ．Fl a t b o t t o me d S t e e l Ta n k s f o r t h e S t o r a ge o f Re f r i g e r a t e d， L i q u e f i e d Ga s e s wi t h Op e r a t i n g Te mpe r a t u r e s be t wee n 0C a nd ～ 1 65 。C．2 00 6 [ s ] ． [ 6 ] E N 1 9 9 8 4 ， De s i g n o f S t r u c t u r e s f o r E a r t h q u a k e R e s i s t a n c e --P a r t 4 S i l o s Ta n k s a n d P i p e l i n e s ． 2 0 0 4 [ S ] ． [ 7 ] AP 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 T a n k s ．2 o o 9 E s ] ． [ 8 ] B S 7 7 7 7 ，F l a t b o t t o me d ， Ve r t i c a l ， C y l i n d r i c a l S t o r a g e T a n k s f o r I ． o w T e mp e r a t u r e S e r v i c e ， 1 9 9 3 [ S ] ． [ 9 ] 彭京 旗． 大型 L NG低 温储 罐施工技术厂 J ] ． 石油化 工建 设 ， 2 0 0 5 ， 2 7 4 1 2 一- 1 4 ． PE NG J i n g q i ． Co n s t r u c t i o n Te c h n o l o g y o f La r g e C r y o g e n i c L NG S t o r a g e T a n k [ J ] ．P e t r o l e u m a n d Ch e roi c a l Co n s r u c t i o n， 2 0 0 5， 2 7 4 1 2 1 4 ． [ 1 0 ]扬 帆， 张超 ， 王成硕 ， 等． 液化天然气储 罐用 9 ％Ni 设 计 许用 应 力 分 析 I- J ] ． 石 油 化 工 设 备 ， 2 0 1 2 ， 4 1 6 9 9 1 01 ． YANG Fa n，ZHANG Cha o，W ANG Che ng s huo， e t a 1 ． Ana l ys i s o f De s i gn Al l owa bl e S t r e s s i n 9 Ni St e e l o f L i q u e f i e d Na t u r a l Ga s S t o r a g e T a n k[ J ] ．P e t r o c h e mi c a l Eq u i p m e n t ， 2 0 1 2， 4 1 6 9 9 1 0 1 ． [ 1 1 ]严春妍 ， 李 午申 ， 薛振奎． L NG储 罐用 9 Ni 钢及其焊 接性[ J ] ． 焊接学报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 3 4 9 5 2 ． YAN Ch u n - y a n，I I W u s h e n，XU E Z h e n - k u i ．W e 1 d a b i l i t y An al ys i s of 9 Ni St e e l Us e d i n LNG St o r a g e T a n k [ J ] ． We l d i n g J o u r n a l ， 2 0 0 8 ， 2 9 3 4 9 5 2 ． [ 1 2 ]艾绍平 ， 张奕 ， 李生 怀． 大型液化 天然 气储 罐建造 工艺 [ J ] ． 石油化工设备 ， 2 0 1 2 ， 4 1 4 6 O 一 6 3 ． AI Sha o ～ pi ng， ZHANG Yi ，LI Sh e ng hu a i ．Co ns t r u c t i on Te c hno l ogy of Li qui d Na t u r e Ga s St o r a g e Ta nk [ J ] ． P e t r o c h e mi c a l E q u i p me n t ， 2 0 1 2 ， 4 1 6 6 0 6 3 ． [ 1 3 ]李建军． L NG储罐的建造技术[ J ] ． 焊接技术， 2 0 0 6 ， 3 5 4 5 4 5 6． I I J i a n j u n ．Co n s t r u c t i o n Te c h n o l o g y o f LNG S t o r a g e T a n k [ J ] ． We l d i n g Te c h n o l o g y ， 2 0 0 6 ， 3 5 4 5 4 5 6 ． 张 编 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m