LNG儲罐墻體襯里溫度數值分析

姜永勝

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）主要成分為甲烷，是一種優質清潔能源。隨著國家能源結構調整以及“雙碳”目標戰略推動下，天然氣清潔能源消費占比的提升，配套的LNG儲罐建設規模和數量也將越來越大[1]。

全容式LNG儲罐是目前國內LNG接收站普遍采用的罐型，襯里位于混凝土外罐內側，又叫蒸氣隔氣層，起到氣密防止BOG氣體泄漏到罐外的作用[2]。LNG儲罐設計溫度為-168℃，與外部常溫環境存在巨大溫差。由于不同儲罐站場環境溫度差異，以及儲罐內部珍珠巖保冷層和熱角保護系統等影響，造成不同部位的襯里溫度存在差異。過低的溫度會影響襯里的力學性能，可能會造成襯里結構破壞或罐底部襯里局部失穩，進而影響儲罐整體氣密性或底部保冷區域結構穩定性。

近年來，國內外眾多科研人員和工程師致力于LNG儲罐相關研究。Sangeun R和Gihun S[3]對LNG儲罐的傳熱對流進行了相關研究，得出了接觸面傳熱速率和固液接觸面積有關；蘇龍龍等[4]建立了LNG儲罐LNG儲罐二維溫度場有限元模型，獲得了儲罐操作工況下的溫度場分布規律；安琪等[5]分析了儲罐在3種不同液位高度下罐體的溫度分布規律，結果表明溫度不穩定區域集中在液位高度附近；范嘉堃等對LNG儲罐整體結構的熱分析計算和研究，基于分析結果得出的儲罐表面溫度的分布情況，通過現場儲罐表面溫度的實測結果分析比對，能夠得出儲罐溫度場的整體分布規律[6]。

利用ANSYS開展LNG儲罐襯里板受環境溫度影響分析，可以確定LNG站場的儲罐襯里溫度規律，給出材料推薦選型，對于開展儲罐設計具有重要意義[7]。

1 LNG儲罐熱傳遞原理分析

目前我國LNG儲罐主要分布在東南沿海城市，現公司在建工程項目大多為160，000～270，000m3全容式鋼筋混凝土儲罐。儲罐外罐由鋼筋混凝土澆筑而成，內罐是9%Ni鋼制成，具有優良的低溫性能。在內罐和外罐之間，填充膨脹珍珠巖，并在內罐外懸掛彈性氈，發揮一定的緩沖作用。在內罐頂部懸掛鋁合金吊頂，上面鋪設多層玻璃棉，并同墻角的膨脹珍珠巖和穹頂內側襯里鋼板一同構成一個密閉空間，見圖1。

在墻體底部，專門設計熱角保護系統，保護墻角不受低溫應力損傷，如圖2所示。

圖2 儲罐底部局部保冷示意圖

雖然儲罐采取多種保冷隔熱措施，但內部-165℃同外界常溫環境溫差巨大，不可能與外界完全絕熱，導致外界環境熱量進入罐內引起LNG氣化。主要傳熱方式主要有熱傳導、熱對流和熱輻射3種方式[8]。

熱傳導是在溫度差作用下，兩個接觸物體之間或同一個物體內部不同位置之間發生的熱量傳遞方式。熱傳導發生在LNG儲罐外罐同保冷結構之間、保冷結構同內罐之間，是儲罐最主要的熱傳遞方式，其導熱過程中的熱阻計算可見式（1）[9]。

熱對流是在溫差作用下，固體表面同流體之間發生熱量傳遞的方式。LNG儲罐外罐混凝土凝土在環境作用下發生自然對流，熱量傳遞至外罐，其熱導率計算公式可以見式（2）[10]。

熱傳遞是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現象。熱輻射主要發生在外表面太陽輻射、穹頂上方BOG區域等，工程上一般只考慮穹頂上方BOG區域內的熱輻射計算。

2 LNG儲罐有限元模型

以某項目200，000m3LNG項目全容式儲罐為研究對象，建立LNG儲罐ANSYS精細化有限元分析模型。模型不僅包括了混凝土外罐的穹頂、墻體和承臺主體結構，還包括了低溫環梁、找平層、熱角保護系統結構、HLB800和HLB2400泡沫玻璃磚、環形空間內膨脹珍珠巖和彈性氈、內罐吊頂玻璃棉等所有罐內材料。由于9%鎳鋼、不銹鋼和瀝青氈的厚度較薄，且3種材料的熱傳導率相較于上述其他材料明顯增大，故不對其進行有限元建模，但以墻體內側面溫度作為鋼襯溫度[11]。整體模型如圖3所示。

圖3 儲罐二維熱分析有限元模型

采用適應性較好的平面二維熱分析單元PLANE55進行網格劃分。PLANE55單元具有4個節點，每個節點只有1個溫度自由度，可用作具有二維熱傳導能力的軸對稱環形單元，可用于二維、穩態或瞬態熱分析。針對LNG儲罐形狀不規則、結構復雜等因素，采用自由網格和映射網格相結合的方式劃分，并對熱角保護、混凝土環梁、泡沫玻璃磚、混凝土找平層、保冷玻璃棉等局部結構進行網格細化處理[12]，如圖4所示。

圖4 儲罐罐底細化網格

3 LNG儲罐溫度場分析

3.1 LNG儲罐保冷材料

在LNG儲罐的底部、內外罐間的環狀空間、鋁吊頂上方分別用泡沫玻璃磚、彈性氈、膨脹珍珠巖和玻璃棉等材料進行填充，以降低同外部環境的熱傳導。主要保冷材料的性能參數，如圖5所示[13]。

圖5 儲罐主要保冷材料熱傳導率曲線

通過材料供貨商試驗，給出有限幾個溫度下的的熱屬性參數，但實際計算需要更大溫度范圍。根據項目材料試驗數據，采用多項式擬合，計算出更多溫度點的熱屬性數值。

3.2 LNG儲罐熱分析荷載

在進行儲罐熱分析時，主要考慮溫度荷載影響，具體的荷載分類和取值說明，如表1所示。

表1 儲罐熱分析荷載

其中，空氣對流換熱對外罐壁有較大的影響，因此熱分析時必須考慮空氣對流的作用。空氣的對流換熱系數與環境溫度、風速等因素有關，在計算中室溫時的對流換熱系數和-100℃時對流換熱系數，中間溫度按照線性插值。

太陽輻射對混凝土頂及穹頂空間內的溫度有較大的影響，進行熱分析時必須考慮太陽輻射的影響，在ANSYS軟件中有專門的輻射熱分析模型，只要設定輻射常數、輻射率及環境溫度即可進行計算，計算中黑體輻射常數取5.67×10-8W/（m2·K4），輻射率根據材料的不同取0.75～0.95。詳細的儲罐溫度荷載加載方法如圖6所示。

圖6 儲罐熱分析荷載加載示意圖

3.3 LNG儲罐熱分析荷載

以項目的200，000m3儲罐模型為例，開展夏季操作下儲罐結構有限元熱分析，并提取混凝土墻體內側面溫度作為襯里溫度，繪制溫度隨墻體高度變化云圖如圖7所示。

圖7 儲罐襯里溫度分布曲線圖

結果表明襯里最低溫度發生在底部區域，并隨著高度增加，溫度逐漸升高；襯里最高溫度在最上部，是受上部保冷結構作用所致；在熱角保護系統和上部保冷結構之間的區域，襯里溫度保持相對穩定。

為研究外界環境溫度對襯里溫度影響，以項目的200,000m3儲罐模型為例，模擬儲罐在-40～0℃環境溫度下襯里溫度變化規律，提取每個環境溫度下襯里最低值，繪制襯里溫度隨環境溫度變化曲線圖見圖8。

圖8 儲罐襯里溫度隨環境溫度變化曲線

結果表明襯里最低溫度同環境溫度呈線性關系，隨著環境溫度的不斷降低，襯里溫度極值也不斷降低。

為研究內外罐之間的環形空間尺寸對襯里溫度影響，以項目的200，000m3儲罐模型為例，在保持彈性氈厚度不變的基礎上，通過調整膨脹珍珠巖的厚度，模擬儲罐環形空間尺寸在0.6～1.5m之間，襯里溫度變化規律，提取每個環形空間尺寸下襯里溫度最低值，繪制襯里溫度隨環形空間尺寸變化曲線圖，結果如圖9所示。

圖9 儲罐襯里溫度隨環形空間尺寸變化曲線

結果表明襯里最低溫度同環形空間尺寸呈正比關系，隨著環形空間尺寸增加，襯里溫度極值也升高。當環形尺寸在1～1.2m左右位置，襯里最低溫度變化相對比較緩慢。

通過上述研究表明，環境溫度和環形空間尺寸均會襯里溫度產生較大影響，以項目的200，000m3儲罐模型為例，同時模擬儲罐環形空間尺寸在0.6～1.5m之間以及環境溫度在-40～0℃之間，襯里溫度變化規律，提取每個環形空間尺寸下襯里溫度最低值，繪制襯里溫度隨環形空間尺寸變化云圖，結果如圖10所示。

圖10 儲罐襯里溫度隨環形空間尺寸和外界環境溫度變化云圖

結果表明襯里最低溫度同環境溫度和環形空間尺寸總體呈正比關系，隨著環境溫度和環形空間尺寸的增大，襯里溫度極值也隨之升高。

4 儲罐襯里材料選型建議

根據GB/T 26978.2《現場組裝立式圓筒平底鋼質液化天然氣儲罐的設計與建造第2部分：金屬構件》中蒸發器容器/外罐所使用鋼材表規定，對于厚度小于13mm的材料，儲罐墻體襯里溫度在-10～-20℃時，可以選用S235J2G3或S275J2G3或S355J2G3材質鋼板；但對于金屬設計溫度低于-20℃時，鋼板應在不超過設計溫度條件下進行沖擊試驗，縱向沖擊功值最小應為27J，滿足許用要求后方可選用[14]。

另外根據存儲產品與所使用鋼材類型表，全容罐設計溫度在-10～50℃時，可以選用Ⅱ型鋼材（特種低溫碳錳鋼），在國內LNG儲罐工程中通常選用16MNDR。

結合圖7儲罐襯里溫度分布曲線圖顯示，項目儲罐襯里最低溫度低于-20℃，因此推薦直接選用Ⅱ型鋼材，或開展低溫沖擊試驗來驗證S235J2G3或S275J2G3或S355J2G3鋼板材料能否滿足要求。

5 結語

文中以某項目200，000m3LNG項目全容式儲罐為研究對象，建立LNG儲罐ANSYS精細化有限元分析模型，進行墻體襯里溫度數值分析，并開展儲罐襯里材料選型研究。

（1）研究LNG儲罐保冷材料參數屬性，確定了儲罐熱分析荷載加載方式和取值方法。

（2）儲罐襯里最低溫度同環境溫度呈線性關系，隨著環境溫度的不斷降低，襯里溫度極值也不斷降低。襯里最低溫度同環形空間尺寸呈正相關，隨著環形空間尺寸增加，襯里溫度極值也升高。當環形尺寸在1～1.2m左右的位置，襯里最低溫度變化相對比較緩慢。

（3）開展儲罐襯里選型研究，根據襯里溫度范圍給出儲罐襯里材料選型建議，為LNG儲罐工程設計提供參考和借鑒。