LNG 儲罐吊頂結構特定工況下安全性分析

賈廷亮，黃啟飛，王磊，魏可可，李修峰

(1.中海油安全技術服務有限公司，天津 300457；2.中海油能源發展股份有限公司安全環保分公司，天津 300457)

0 引言

隨著綠色低碳發展目標的實施，天然氣等清潔能源的使用逐漸增長。近年來為了滿足需求高峰，陸地大型天然氣儲罐數量快速增加，而儲罐的安全運行對整個行業發展非常重要。吊頂作為LNG 陸地儲罐絕熱保冷結構組成部分，對于儲罐蒸發率有著重要影響，同時吊頂位于儲罐內部空間，運行期間出現結構不安全因素，需要停罐并進行維修，會造成很大的經濟損失。

目前針對LNG 儲罐吊頂的研究比較少，主要從吊頂設計思路、難點、整體結構，主要組成幾個方面進行了分析，在此基礎上對比了新型吊頂在設計技術指標上與傳統吊頂之間的不同，分析了傳統吊頂存在的不足，同時對傳統吊頂結構在常規工況下受力進行分析，探討了鋁吊頂計算理論及力學控制方程，給出了國際上現行設計方法和值得見解的設計思路[1-4]。

本文以吊頂結構為研究對象，將吊桿失效作為一種目標工況，分析了吊桿失效最不利情況下，吊頂各組成結構應力和位移分布特征，并結合規范，對結果的安全性進行判斷，給出最終結論。通過本文研究為儲罐工程中吊頂設計方案及后期結構安全評價提供支持。

1 LNG 儲罐吊頂結構

1.1 儲罐吊頂結構組成

LNG 儲罐內罐上端開口，主要通過吊頂覆蓋絕熱層達到絕熱的功能，而吊頂目的就是提供絕熱所需要的支撐，這種設計能夠減少內部低溫介質與外界的熱量交換，從而實現絕熱保冷。為了使保冷效果更佳，需要鋪設更厚的保冷層，這就需要吊頂承擔更大重量，防止保冷材料掉落，影響整體保冷效果。同時，吊頂還需承擔自身重量和一部分活荷載[5]。

LNG 儲罐吊頂結構位于內罐頂部，由吊桿、加強環和吊頂組成，吊頂通過吊桿與穹頂頂梁框架鋼結構梁下翼緣連接，吊頂上分層鋪設保冷材料，加強環作為鋁吊頂加強結構的分環布置在吊頂上，吊桿通過加強環與吊頂連接。以20 萬立方米LNG 儲罐為例，吊頂的半徑達到40.4 m，共設有加強環12 圈，吊桿沿環狀分布，穹頂鋼結構見圖1。

1.2 儲罐吊頂結構模型

建立吊頂結構有限模型，需要考慮真實的結構，同時為了保證計算結果準確的情況下，盡量簡化，提升計算效率。分別建立吊頂和吊桿模型，其中加強環結構采用stringer 方式建立。模型中吊桿和加強環使用梁單元模型，吊頂鋁板采用殼單元建模。吊桿和加強環橫截面為矩形，梁單元方向需要通過旋轉實現。吊頂鋁板與加強環共節點，即使梁、殼作用點重合。吊桿需要單獨建模，然后利用組合方式，將吊桿和加強環綁定。最后建立的有限元模型如圖2 所示。

圖2 吊頂結構有限元模型

1.3 吊頂施加荷載

建立吊頂整體結構有限元模型，需要設置模型的邊界條件，包括位移邊界和荷載。模型的位移邊界通過吊桿上端施加固定邊界實現。

吊頂的荷載主要是吊頂自重：自重主要包括吊桿、吊頂以及加強環的自身重量，有限元中通過施加豎向重力加速度實現。此外就是吊頂上鋪設的保冷荷載，根據實際保冷荷載厚度和密度，計算出保冷結構的總重量，然后利用均布荷載施加在吊頂的上表面，本次計算的保冷荷載為240 N/m2均布面荷載。根據規范EN 14620-1 中規定除了上述荷載，還需要考慮荷載組合，需要對吊頂上活荷載進行考慮，同樣通過施工均布面荷載實現，本次在鋁板上表面施加的均布面荷載為500 N/m2[6]。

1.4 吊頂結構材料屬性

吊頂材料選擇主要根據ASTM B209M 規范，其中吊頂材料選擇B209 5083-O，加強環和吊頂為同一種材料，根據規范鋁板厚度為5 mm，加強環截面尺寸為200 mm×18 mm。由于吊桿承擔主要荷載傳遞功能，采用A276Gr 304 L 作為吊桿材料，在有限元模型中吊頂結構詳細材料參數見表1。

表1 吊頂結構材料參數

2 吊頂結構特定工況下受力分析

2.1 吊桿失效工況分析

本文主要考慮吊頂在發生吊桿失效情況下，吊頂各結構承擔力的變化。吊桿沿著圓環分布，見圖3。圖中每一圈吊桿都是等距離分布，是一個對稱結構，發生任何一根吊桿失效，結構受力是相同的，圖中紅色虛線位置為失效吊桿，由此可以進一步分析，對每一環吊桿在環向吊桿失效的影響只考慮其中一根即可。但是將12 環吊桿放在一起，就會產生一種最不利情況，就是當所有環失效吊桿位于徑向同一條直線時，即穿過圓心，沿著半徑方向，畫出一條直線，各環失效吊桿都落在直線上。基于以上原因，后續分析考慮的就是這種最不利工況。

圖3 吊桿失效工況

2.2 計算結果分析

根據2.1 節最不利工況對吊頂結構進行了有限元計算。以第5 環吊桿計算結果為例進行分析，見圖4。從圖中可以看出，在吊桿失效情況下，同一環吊桿最大應力發生在失效吊桿相鄰側吊桿，而靠近失效吊桿的其他吊桿應力發生變化明顯，遠離失效吊桿的應力變化較少，說明吊桿失效打破原有力學平衡，由失效吊桿承擔的那部分力分配給了相鄰吊桿，產生部分應力集中現象。

圖4 吊桿應力

圖5為加強環有限元計算結果，從圖中可以看出，在吊桿失效的最不利工況下，加強環最大應力發生在與失效吊桿兩側與吊桿連接區域，可以看出應力重新分布，與應力較大吊桿連接加強環的應力發生明顯增加，部分區域應力集中，這也說明，吊桿在此時傳遞力全部作用在加強環上。

圖5 加強環應力

圖6是吊頂的位移情況，從圖中可以看出，除了環向均勻分布的位移，在位于吊桿失效區域吊頂鋁板出現了較大的豎向位移，這些區域的位移也明顯高于其他區域，這說明吊桿失效位置發生更大變形，進一步說明吊桿對于吊頂鋁板在豎直方向上是有支撐作用的，也是一種很好的平衡。

圖6 吊頂鋁板位移

圖7是對比分析了在吊桿失效前后，各環吊桿最大應力分布及變化情況。從圖中可以看出，吊桿失效后，導致各環吊桿的最大應力增加。從圖中曲線變化趨勢可以看出，雖然吊桿失效，但是每一環承擔作用力的比例變化較小，說明在力的平衡過程中，重新分配力的過程與前面初始平衡狀態是一致的。

圖7 各環吊桿最大應力

3 吊頂結構安全分析

根據規范EN14620 中5.2.1.3.1 節規定，吊桿的許用應力根據不同分析工況選擇，本次計算吊桿失效的最不利工況選擇吊桿的許用應力為137 MPa。

根據規范EN14620 中5.2.1.3.1 節規定，加強環許用應力要根據焊接系數的取值確定，本次計算選用對接焊，故加強環許用應力取64.2 MPa。

根據規范EN14620 中5.2.1.3.1 節規定，鋁板許用應力根據焊接方式確定，當采用單面搭接焊時，鋁板許用應力值取32.1 MPa。由于鋁板比較薄，變形作為主要判斷依據。根據GB 50429—2007 《鋁合金結構設計規范》條文說明中4.4.1 節內容，同時結合工程實踐經驗給出的限值。對于連續的大面積結構面板，其撓度根據建筑類型有明確要求，在本次計算中吊頂鋁板設定的位移限值為80 mm。

表2給出了吊頂結構在吊桿失效最不利工況下最大應力和許用應力值。從表中可以看出，吊桿最大應力為55.5 MPa，相比需用應力余量較大，說明吊桿結構是安全的。加強環最大應力值為45.4 MPa 小于64.2 MPa 的許用應力，說明加強環也是安全的。表3給出了鋁吊頂最大位移，從結果可以看出，吊頂最大位移57.35 mm 小于極限位移80 mm，滿足規范要求，結構是安全的。

表2 吊桿失效工況下應力安全分析結果

表3 吊桿失效工況下位移安全分析結果

4 結語

(1)當吊頂所有環失效吊桿位于徑向同一條直線時，處于最不利工況，此時同一環吊桿最大應力發生在失效吊桿相鄰側吊桿，而靠近失效吊桿的其他吊桿應力發生變化較大。

(2)在吊桿失效的最不利工況下，加強環最大應力發生在與失效吊桿兩側與吊桿連接區域，吊桿失效位置吊頂鋁板發生更大變形。

(3)吊桿失效最不利工況下，吊頂吊桿、加強環、吊頂鋁板滿足規范要求，結構安全。