摘 要：為了防止LNG全容罐溫度升高、LNG沸騰氣化導(dǎo)致罐內(nèi)壓力升高，常采用安全閥釋放罐內(nèi)氣體的方法來控制壓力。在LNG蒸氣釋放過程中，若被點燃會發(fā)生火災(zāi)，LNG全容罐在火災(zāi)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和LNG氣壓等荷載作用下，有可能開裂、坍塌導(dǎo)致LNG泄漏，進而造成重大的安全事故。目前國內(nèi)尚無相關(guān)規(guī)范規(guī)定，而國外的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范也僅給出了一般性的條款，沒有具體的計算公式。為此，闡述了安全閥火災(zāi)熱輻射研發(fā)的必要性；探討和建立了LNG全容罐的傳導(dǎo)、強制對流、火災(zāi)輻射和內(nèi)部空間自輻射，以及相互耦合的復(fù)雜三維瞬態(tài)熱分析有限元模型，獲得了瞬態(tài)熱分析各個燃燒時間點的計算結(jié)果，并給出了合理的解釋；最后將熱學(xué)模型轉(zhuǎn)換為力學(xué)模型，施加火災(zāi)產(chǎn)生的溫度，組合氣壓和自重，經(jīng)計算獲得了LNG全容罐在火災(zāi)燃燒時限內(nèi)的最大應(yīng)變。結(jié)果表明，與混凝土的極限應(yīng)變對比，儲罐不會發(fā)生壓碎坍塌。該研究成果為后續(xù)國內(nèi)規(guī)范的編制和LNG全容罐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：LNG全容罐 傳熱邊界條件 安全閥火災(zāi) 瞬態(tài)熱分析 熱力耦合 最大壓應(yīng)變
Transient thermal-mechanical coupling analysis of full-containment LNG tanks with relief valves against fire and radiation
Abstract：In order to prevent the rising temperature or the increasing pressure caused by LNG boiling gasification in a full-containment LNG tank，pressure control is usually done through a relief valve releasing the LNG vapor．In this process，if such easily ignited fire occurs，the resulted heat stress，LNG vapor pressure and other load conditions will lead to crackin9，collapsin9，or spilling of the LNG tank，thus resulting in some major accidents．Unfortunately，no related codes or regulations can be found yet in China and in some foreign codes only general clauses but no specific calculating formula can be found at present．In view of this，we first explained the necessity of this study，and then established a complicated 3D transient thermal analysis FEA model，reflecting the conduction，forced convection，fire radiation，and self radiation in the inner Space．With this model，the calculation results were thus obrained at each burning time point，and thus reasonable explanation were given．Finally，we transformed this thermal model into a mechanical one，and with the fire temperature exerted，LNG vapor pressure，and self weight as the applied load，we calculated the maximum strain of a full containment LNG tank，which is lower than its limiting strain．This study provides solid foundation for the subsequent work like the programming of relevant domestic codes，or optimal structural design of full-containment LNG tanks．
Keywords：full containment l．NG tank，heat transfer boundary conditions，fire relief valve，transient thermal analysis，thermal-mechanical coupling analysis，maximum compressive strain
隨著石油資源的日趨緊張，LNG的應(yīng)用前景越來越廣闊[1-4]。LNG儲罐是整個LNG接收站的核心，其結(jié)構(gòu)形式主要有單壁型、雙壁雙頂型、雙壁單頂敞口型和全容式。其中全容罐具有容量大、結(jié)構(gòu)性能好的優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用[5-6]。本文瞬態(tài)熱力學(xué)分析的有限元模型為LNG全容罐(以下簡稱儲罐)。
在外界溫度變化下，儲罐內(nèi)的LNG達(dá)到沸點蒸騰，從而產(chǎn)生氣壓。為保護混凝土外罐免受不斷增加的氣壓作用，需通過穹頂上部的安全閥將超壓的LNG蒸氣排出。在此過程中，LNG蒸氣或被點燃發(fā)生火災(zāi)。在這種偶然工況下，國內(nèi)現(xiàn)有的混凝土規(guī)范尚無規(guī)定，而國外的ENl473等規(guī)范僅給出一般性的條款，沒有具體的計算公式。所以發(fā)生安全閥火災(zāi)時，儲罐各部位的溫度怎么分布?火災(zāi)導(dǎo)致的混凝土熱應(yīng)變是否達(dá)到了極限應(yīng)變等，這些需借助大型有限元軟件進行詳細(xì)的熱力學(xué)分析才能得到，指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計工作。
筆者基于熱力學(xué)基本理論和大型有限元軟件Ansys，考慮內(nèi)部材料的保溫?zé)醾鲗?dǎo)、外部有風(fēng)情況下的強制對流以及安全閥火災(zāi)的熱輻射作用，進行基于時間進程的瞬態(tài)熱分析，獲得儲罐溫度場云圖分布，然后通過熱—固耦合，將熱學(xué)模型轉(zhuǎn)換為固體力學(xué)模型，獲取儲罐各個部分的力學(xué)結(jié)果，從而判斷儲罐在火災(zāi)作用下的安全性，對國內(nèi)相關(guān)規(guī)范的編制具有一定的意義。
1 安全閥火災(zāi)輻射熱模型
1．1 熱力學(xué)理論[7-11]
火災(zāi)作用下儲罐的熱力學(xué)分析，需要考慮傳導(dǎo)、對流和輻射3種傳熱方式。熱傳導(dǎo)理論較為簡單，此不贅述。
1．1．1強制對流
對流有自由對流和強制對流。自由對流和溫度緊密相連，而強制對流還需考慮風(fēng)速的影響。牛頓依據(jù)固體與周圍流體之間的熱量交換，提出了牛頓冷卻公式：
Q＝h(tw-tf) (1)
式中q為熱流密度，W／m2；h為對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W／(m2·K)；tw為固體表面溫度，℃；tf為周圍流體溫度，℃。
對流換熱系數(shù)的計算需要考慮固體表面與流體之間邊界層的導(dǎo)熱性質(zhì)。
邊界層可以理解為通過熱傳導(dǎo)傳遞熱量：
結(jié)合以上兩式，可以得到：
結(jié)合本文參考文獻(xiàn)[10]可得：
所以
式中ReL為雷諾系數(shù)，Pr是普朗特常數(shù)；N為努賽爾系數(shù)，與雷諾和普朗特常數(shù)相關(guān)；k為空氣熱導(dǎo)率；L為幾何體的有效長度。
通過式(4)和(5)將對流換熱系數(shù)(h)的問題，轉(zhuǎn)為解決努賽爾系數(shù)的問題。
1．1．2輻射[12]
熱輻射指物體發(fā)射電磁能，并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。熱輻射無須任何介質(zhì)，在真空中熱輻射效率最高。
在工程中通?？紤]兩個或兩個以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個物體同時輻射并吸收熱量。它們之間的凈熱量傳遞可以用斯蒂芬～波爾茲曼方程來計算：
Q=esAiFij(Ti4-Tj4) (6)
式中q為熱流率；e為實際物體的輻射率，或稱為黑度，它的數(shù)值處于0～l之間；s為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)，約為5.67×10-8w／(m2·K4)；Ai為輻射面i的面積；Fij為由輻射面i到輻射面j的形狀系數(shù)(又稱角系數(shù))，是關(guān)于表面面積、面的取向及面間距離的函數(shù)，它的計算是熱輻射分析中的重點和難點；Ti為輻射面i的絕對溫度；Tj為輻射面j的絕對溫度。
可以看出，熱輻射引起的熱流與物體表面絕對溫度的4次方成正比，所以包含輻射的熱分析是高度非線性的。
在儲罐熱分析中要考慮兩部分輻射，即內(nèi)部空間的相互輻射和火災(zāi)燃燒輻射。其中內(nèi)部環(huán)境的相互輻射是罐內(nèi)吊頂和穹頂之間的輻射，有3000多個輻射面，角系數(shù)的計算工作量非常大。
1．2 有限元模型[13]
儲罐瞬態(tài)熱力分析模型包含穹頂和混凝土外罐墻。局部還有結(jié)構(gòu)的鋼內(nèi)襯板、玻璃纖維彈性氈、珍珠巖保溫材料和鋼筋混凝土承壓環(huán)。其穹頂厚度約為400mm。
其中承壓環(huán)及襯板用shelll31單元建立、其他部分可用實體單元solid70。有限元模型求解的是連續(xù)體問題，但在此模型中，安全閥的位置離穹頂約16m，是非連續(xù)孤立的節(jié)點。為了能讓安全閥的熱輻射能傳遞到穹頂。必須借助一類特殊的單元即表面效應(yīng)單元，實現(xiàn)孤立火災(zāi)點和儲罐各個部分的熱輻射。
有限元模型見圖1、2，其中圖2是儲罐內(nèi)部的情況，紅色是儲罐內(nèi)部的保溫材料。儲罐節(jié)點組成見圖3。
穹頂表面覆蓋了表面效應(yīng)單元，通過此特殊單元，實現(xiàn)非連續(xù)介質(zhì)有限元模型熱輻射的傳遞，見圖4。
1．3 材料熱工性質(zhì)
儲罐中部分材料的物理性質(zhì)見表1。
1．4 瞬態(tài)熱分析的邊界條件
安全閥的熱輻射條件是根據(jù)相關(guān)國外規(guī)范[14]，熱輻射能量為32kW／m2，安全閥高度離穹頂約l6m，持火燃燒6h?；馂?zāi)熱輻射是瞬態(tài)熱分析，即熱輻射隨著時間發(fā)生的。為了建立有限元模型的初始條件，在火災(zāi)將要發(fā)生的ls時，執(zhí)行穩(wěn)態(tài)熱分析，得到儲罐的溫度分布情況。然后從1s～6h考慮安全閥火災(zāi)的瞬態(tài)熱輻射，給安全閥孤立節(jié)點施加熱輻射能量，使儲罐獲得相應(yīng)的背景輻射溫度。模型還要考慮通風(fēng)情況下的強制對流，施加根據(jù)努賽爾系數(shù)計算得出的對流換熱系數(shù)，并考慮外部環(huán)境溫度的約束條件。
1．5 瞬態(tài)熱分析的結(jié)果
1s時的溫度分布可以看到穹頂已經(jīng)獲得了初始的熱邊界條件，穹頂外表面是夏季最熱天的環(huán)境溫度41℃(圖5)。
隨著火災(zāi)燃燒時間的持續(xù)增加，在火災(zāi)發(fā)生lh后，穹頂外表面的溫度已經(jīng)升高到了373℃(圖6)。
火災(zāi)發(fā)生6h時后，穹頂?shù)耐獗砻鏈囟纫呀?jīng)升高到了500℃左右，同時高溫區(qū)域也增大了很多(圖7)。
穹頂混凝土的外表面溫度無論是徑向還是環(huán)向，最高溫度均在450℃左右。內(nèi)外表面溫度相差l00℃左右，將產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力(圖8、9)。
2 安全閥火災(zāi)輻射力模型
2．1 有限元模型
利用Ansys的“ETCHG，TTS”命令，將安全閥火災(zāi)輻射的熱模型轉(zhuǎn)換為力學(xué)模型。熱單元solid70和shelll31分別轉(zhuǎn)換為solidl85和shelll81，而整個模型的幾何尺寸并沒有發(fā)生改變。
2．2 材料物理性質(zhì)
表2是部分材料隨著溫度變化的物理性質(zhì)。
2．3 荷載與邊界條件
最底部的節(jié)點固結(jié)約束；珍珠巖和纖維玻璃由于其彈性模量小，不考慮它對數(shù)值模型剛度的貢獻(xiàn)，約束其全部自由度，在Ansys中讀入熱分析模型的溫度場分布，施加溫度荷載。然后施加儲罐的自重、LNG的蒸氣壓進行求解。
2．4 安全閥火災(zāi)力學(xué)分析結(jié)果
施加各種荷載后進行求解，獲得混凝土的壓縮應(yīng)蠻(圖10)。
可以看到，模型中最大的壓應(yīng)變是-0.002，沒有達(dá)到混凝土的極限壓應(yīng)變0.0033，所以穹頂不會發(fā)生混凝土壓碎破壞，滿足儲罐安全性要求。
3 結(jié)論
1)通過傳熱學(xué)理論，闡述了3大傳熱方式的基本理論和計算方法以及怎么合適地施加到有限元模型上。
2)建立了LNG全容罐的瞬態(tài)熱分析有限元模型，獲得了熱分析中各個部分以及各個時間段上的溫度結(jié)果，此溫度分析結(jié)果是后續(xù)力學(xué)分析的基礎(chǔ)。
3)通過熱一固耦合，將熱學(xué)模型轉(zhuǎn)換為力學(xué)模型，并施加熱荷載、自重等荷載在模型上，獲得了儲罐混凝土穹頂各個部分的熱應(yīng)變值。通過此結(jié)果，可以證明在安全閥火災(zāi)熱輻射下，LNG全容罐是安全的。
4)研究結(jié)果為后期LNG全容罐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和國內(nèi)規(guī)范的編制工作打下了較好的基礎(chǔ)。
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本文作者：余曉峰 王松生 蘇軍偉
作者單位：中石化洛陽工程有限公司
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