地面全容液化天然气储存罐的设计和分析


LNG tank under construction at the Tongyeong terminal

  • 世界上最大的地面液化天然气储存罐

  • 静力、动力、热应力及非线性分析

  • 符合严格的设计要求

KOGAS Gas Technology Corporation (KOGAS-Tech)韩国天然气技术公司正使用LUSAS Civil& Structural软件,帮助建造并不断改进地面全容液化天然气罐的容量。在LUSAS工程咨询服务部的帮助下,韩国天然气技术公司已经建造了一个容量为140,000立方米的液化天然气储存罐。现在通过使用LUSAS Civil& Structure,一个容量为200,000立方米的地面全容液化天然气罐已经被分析和优化。当它被建成后,将成为世界上最大的地面全容液化天然气储存罐(2006)


罐的发展

近年来,KOGASTech公司已经建造了两种不同类型的地面后张预应力混凝土全容罐。一种使用了具有专利的内罐薄膜系统;另一种采用镍钢合金内罐。这两个罐的容量都是140,000立方米,分别建在韩国的Pyeongtaek Tongyeong


使用LUSAS软件,KOGASTech公司已经设计了一个容量为200,000立方米的地面储存罐。与前一个罐相似,镍钢内罐高37.6m,直径84m,后张预应力混凝土外罐直径86.4m。内罐坐落在混凝土底板上,底板由直径比较小的桩支撑。罐从基础到顶部总共高52.8m


Cutaway of full containment LNG tank

主要分析类型

在分析和设计储存罐时,KOGASTech使用LUSAS进行了大量的有限元分析,包括:

  • 静力分析

  • 风荷载分析

  • 模态和抗震分析

  • 温度模拟

  • 泄漏分析

  • 后张预应力分析

  • 燃烧分析

  • 泄压阀模拟

  • 结构相互作用分析

 

静力分析

静力分析采用了2维轴对称实体单元和3维壳单元。对于结构的各个部分,例如罐顶、罐壁、底板等,进行分别建模,并定义了各种静力分析工况。多个工况的组合效应采用荷载组合进行评估。


模态分析

采用三维壳单元来模拟LNG外罐和卸压平台,对它们进行特征值分析,考察两个结构耦合和非耦合情况下的响应。集中质量模拟被用于LNG罐中的液体和结构相互作用,以及桩基础中的土和结构的相互作用。


风荷载模拟

采用三维壳单元模型,进行LNG外罐的风荷载分析。由于罐的形状以及荷载的对称性,常取一半模型进行分析。傅立叶分布的风荷载沿墙壁四周是变化的,在结构正面是正压力,在结构背面变成了吸力。



抗震分析

采用LUSAS中的交互式模态动力分析方法,计算结构的动态地震响应。运行操作基准地震(OBE)和安全停运地震(SSE)下的分析,以保证结构满足规范要求。最后,综合利用结构分析得到的数据,计算出罐体的基础剪力和弯矩。





Absolute stresses in top surfaces from wind loading



Absolute stresses in top surfaces from seismic loading envelope


 

热力学模拟

采用二维轴对称实体场单元和连续体单元建立了热力学模型,对LNG外罐(包含绝缘层)进行半耦合的稳态热力学分析。首先,在所有单元上施加了一个无应力温度,并考虑空气和基础温度环境条件的组合效应。由稳态热荷载引起的在顶角和底角处的环向应力图被生成。

顶角建模


底角建模


产生由稳态热负荷引起的顶角和底角的环向应力的结果图。



Vertical stress in top corner from internal pressure loading

Vertical stress in bottom corner from internal pressure loading

Hoop stress in top corner from steadt state thermal loading

Hoop stress in bottom corner from steady state thermal loading


 

泄露模拟Leakage modelling (showing insulation missing at level of LNG)Leakage modelling 

泄漏模拟考察了液化天然气在5个不同的高度,从内罐泄露到外罐内壁PUF绝缘层上的情况。假设罐的绝缘层在所考虑的高度以下都已经完全失效。采用二维轴对称实体场单元和连续体单元,模拟外罐和每个泄露处以上的绝缘层。进行一个半耦合稳态热力学分析,来评估泄露的影响。


Absolute stresses in top surfaces from a combination of prestress loads 

预应力分析

外罐壁上存在临时开口,因此必须限制预应力引起的应力集中的影响。水平和竖向每组预应力筋荷载,都在单独的工况中分别定义和设置。然后,这些荷载可以以不同的方式进行组合,达到要求的预应力次序或加载顺序。对于每个荷载组合,可以使用截面的切片工具获得开口周围罐壁的轴力和弯矩。


燃烧模拟

燃烧情节的模拟采用二维轴对称实体场单元,并对LNG外罐进行瞬态热分析。罐顶和绝热层(除了PUF层)假设已经被损坏,在分析中不予考虑。在指定的时间,首先施加一个稳态条件。为了模拟燃烧情况,施加一个温度荷载(峰值温度在1.5m的距离内下降到零下170摄氏度),其在考虑的燃烧时间内以恒定速度逐渐降低。


Heat flux analysis stress after specified period of time

压阀模拟

在热流泄压阀的建模中,不包括罐底部分,因为通常认为其远离热流荷载。采用三维实体场单元和连续体单元,对LNG储罐的一个构件进行半耦合瞬态热分析。


在所有单元上施加了一个无应力温度场,并建立模型的稳态条件,即零下170摄氏度的内部温度和外部全年平均气温。然后,在所考虑的时间步内,对罐顶的指定区域施加一个热流荷载。


"利用LUSAS使我们可以不断改进我们的分析、研究和开发能力,特别是在非线性分析中。通过LUSAS我们确信我们的LNG储罐的一系列设计总能满足客户严格的设计需求。"

Hag-Goo Sung, Civil & Arch Dept Manager, KOGAS-Tech