基于安全阀火灾辐射的LNG全容罐瞬态热力耦合分析

摘 要

摘 要:为了防止LNG全容罐温度升高、LNG沸腾气化导致罐内压力升高,常采用安全阀释放罐内气体的方法来控制压力。在LNG蒸气释放过程中,若被点燃会发生火灾,LNG全容罐在火灾产生的

摘 要:为了防止LNG全容罐温度升高、LNG沸腾气化导致罐内压力升高,常采用安全阀释放罐内气体的方法来控制压力。在LNG蒸气释放过程中,若被点燃会发生火灾,LNG全容罐在火灾产生的温度应力和LNG气压等荷载作用下,有可能开裂、坍塌导致LNG泄漏,进而造成重大的安全事故。目前国内尚无相关规范规定,而国外的标准、规范也仅给出了一般性的条款,没有具体的计算公式。为此,阐述了安全阀火灾热辐射研发的必要性;探讨和建立了LNG全容罐的传导、强制对流、火灾辐射和内部空间自辐射,以及相互耦合的复杂三维瞬态热分析有限元模型,获得了瞬态热分析各个燃烧时间点的计算结果,并给出了合理的解释;最后将热学模型转换为力学模型,施加火灾产生的温度,组合气压和自重,经计算获得了LNG全容罐在火灾燃烧时限内的最大应变。结果表明,与混凝土的极限应变对比,储罐不会发生压碎坍塌。该研究成果为后续国内规范的编制和LNG全容罐结构优化设计奠定了基础。

关键词:LNG全容罐  传热边界条件  安全阀火灾  瞬态热分析  热力耦合  最大压应变

Transient thermal-mechanical coupling analysis of full-containment LNG tanks with relief valves against fire and radiation

AbstractIn order to prevent the rising temperature or the increasing pressure caused by LNG boiling gasification in a full-containment LNG tankpressure control is usually done through a relief valve releasing the LNG vaporIn this processif such easily ignited fire occursthe resulted heat stressLNG vapor pressure and other load conditions will lead to crackin9collapsin9or spilling of the LNG tankthus resulting in some major accidentsUnfortunatelyno 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 presentIn view of thiswe first explained the necessity of this studyand then established a complicated 3D transient thermal analysis FEA modelreflecting the conductionforced convectionfire radiationand self radiation in the inner SpaceWith this modelthe calculation results were thus obrained at each burning time pointand thus reasonable explanation were givenFinallywe transformed this thermal model into a mechanical oneand with the fire temperature exertedLNG vapor pressureand self weight as the applied loadwe calculated the maximum strain of a full containment LNG tankwhich is lower than its limiting strainThis study provides solid foundation for the subsequent work like the programming of relevant domestic codesor optimal structural design of full-containment LNG tanks

Keywordsfull containment lNG tankheat transfer boundary conditionsfire relief valvetransient thermal analysisthermal-mechanical coupling analysismaximum compressive strain

随着石油资源的日趋紧张,LNG的应用前景越来越广阔[1-4]LNG储罐是整个LNG接收站的核心,其结构形式主要有单壁型、双壁双顶型、双壁单顶敞口型和全容式。其中全容罐具有容量大、结构性能好的优点而得到广泛应用[5-6]。本文瞬态热力学分析的有限元模型为LNG全容罐(以下简称储罐)

在外界温度变化下,储罐内的LNG达到沸点蒸腾,从而产生气压。为保护混凝土外罐免受不断增加的气压作用,需通过穹顶上部的安全阀将超压的LNG蒸气排出。在此过程中,LNG蒸气或被点燃发生火灾。在这种偶然工况下,国内现有的混凝土规范尚无规定,而国外的ENl473等规范仅给出一般性的条款,没有具体的计算公式。所以发生安全阀火灾时,储罐各部位的温度怎么分布?火灾导致的混凝土热应变是否达到了极限应变等,这些需借助大型有限元软件进行详细的热力学分析才能得到,指导后续设计工作。

笔者基于热力学基本理论和大型有限元软件Ansys,考虑内部材料的保温热传导、外部有风情况下的强制对流以及安全阀火灾的热辐射作用,进行基于时间进程的瞬态热分析,获得储罐温度场云图分布,然后通过热—固耦合,将热学模型转换为固体力学模型,获取储罐各个部分的力学结果,从而判断储罐在火灾作用下的安全性,对国内相关规范的编制具有一定的意义。

1 安全阀火灾辐射热模型

11 热力学理论[7-11]

火灾作用下储罐的热力学分析,需要考虑传导、对流和辐射3种传热方式。热传导理论较为简单,此不赘述。

111强制对流

对流有自由对流和强制对流。自由对流和温度紧密相连,而强制对流还需考虑风速的影响。牛顿依据固体与周围流体之间的热量交换,提出了牛顿冷却公式:

Qh(tw-tf)            (1)

式中q为热流密度,Wm2h为对流换热的表面传热系数,W(m2·K)tw为固体表面温度,tf为周围流体温度,℃。

对流换热系数的计算需要考虑固体表面与流体之间边界层的导热性质。

边界层可以理解为通过热传导传递热量:

 

结合以上两式,可以得到:

 

结合本文参考文献[10]可得:

 

所以

 

式中ReL为雷诺系数,Pr是普朗特常数;N为努赛尔系数,与雷诺和普朗特常数相关;k为空气热导率;L为几何体的有效长度。

通过式(4)(5)将对流换热系数(h)的问题,转为解决努赛尔系数的问题。

112辐射[12]

热辐射指物体发射电磁能,并被其他物体吸收转变为热的热量交换过程。热辐射无须任何介质,在真空中热辐射效率最高。

在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射,系统中每个物体同时辐射并吸收热量。它们之间的净热量传递可以用斯蒂芬~波尔兹曼方程来计算:

Q=esAiFij(Ti4-Tj4)                (6)

式中q为热流率;e为实际物体的辐射率,或称为黑度,它的数值处于0l之间;s为斯蒂芬—波尔兹曼常数,约为5.67×10-8w(m2·K4)Ai为辐射面i的面积;Fij为由辐射面i到辐射面j的形状系数(又称角系数),是关于表面面积、面的取向及面间距离的函数,它的计算是热辐射分析中的重点和难点;Ti为辐射面i的绝对温度;Tj为辐射面j的绝对温度。

可以看出,热辐射引起的热流与物体表面绝对温度的4次方成正比,所以包含辐射的热分析是高度非线性的。

在储罐热分析中要考虑两部分辐射,即内部空间的相互辐射和火灾燃烧辐射。其中内部环境的相互辐射是罐内吊顶和穹顶之间的辐射,有3000多个辐射面,角系数的计算工作量非常大。

12 有限元模型[13]

储罐瞬态热力分析模型包含穹顶和混凝土外罐墙。局部还有结构的钢内衬板、玻璃纤维弹性毡、珍珠岩保温材料和钢筋混凝土承压环。其穹顶厚度约为400mm

其中承压环及衬板用shelll31单元建立、其他部分可用实体单元solid70。有限元模型求解的是连续体问题,但在此模型中,安全阀的位置离穹顶约16m,是非连续孤立的节点。为了能让安全阀的热辐射能传递到穹顶。必须借助一类特殊的单元即表面效应单元,实现孤立火灾点和储罐各个部分的热辐射。

有限元模型见图12,其中图2是储罐内部的情况,红色是储罐内部的保温材料。储罐节点组成见图3

 

 

 

穹顶表面覆盖了表面效应单元,通过此特殊单元,实现非连续介质有限元模型热辐射的传递,见图4

 

13 材料热工性质

储罐中部分材料的物理性质见表1

 

14 瞬态热分析的边界条件

安全阀的热辐射条件是根据相关国外规范[14],热辐射能量为32kWm2,安全阀高度离穹顶约l6m,持火燃烧6h。火灾热辐射是瞬态热分析,即热辐射随着时间发生的。为了建立有限元模型的初始条件,在火灾将要发生的ls时,执行稳态热分析,得到储罐的温度分布情况。然后从1s6h考虑安全阀火灾的瞬态热辐射,给安全阀孤立节点施加热辐射能量,使储罐获得相应的背景辐射温度。模型还要考虑通风情况下的强制对流,施加根据努赛尔系数计算得出的对流换热系数,并考虑外部环境温度的约束条件。

15 瞬态热分析的结果

1s时的温度分布可以看到穹顶已经获得了初始的热边界条件,穹顶外表面是夏季最热天的环境温度41℃(5)

 

随着火灾燃烧时间的持续增加,在火灾发生lh后,穹顶外表面的温度已经升高到了373℃(6)

 

火灾发生6h时后,穹顶的外表面温度已经升高到了500℃左右,同时高温区域也增大了很多(7)

 

穹顶混凝土的外表面温度无论是径向还是环向,最高温度均在450℃左右。内外表面温度相差l00℃左右,将产生较大的温度应力(89)

 

 

2 安全阀火灾辐射力模型

21 有限元模型

利用Ansys“ETCHGTTS”命令,将安全阀火灾辐射的热模型转换为力学模型。热单元solid70shelll31分别转换为solidl85shelll81,而整个模型的几何尺寸并没有发生改变。

22 材料物理性质

2是部分材料随着温度变化的物理性质。

 

23 荷载与边界条件

最底部的节点固结约束;珍珠岩和纤维玻璃由于其弹性模量小,不考虑它对数值模型刚度的贡献,约束其全部自由度,在Ansys中读入热分析模型的温度场分布,施加温度荷载。然后施加储罐的自重、LNG的蒸气压进行求解。

24 安全阀火灾力学分析结果

施加各种荷载后进行求解,获得混凝土的压缩应蛮(10)

 

可以看到,模型中最大的压应变是-0.002,没有达到混凝土的极限压应变0.0033,所以穹顶不会发生混凝土压碎破坏,满足储罐安全性要求。

3 结论

1)通过传热学理论,阐述了3大传热方式的基本理论和计算方法以及怎么合适地施加到有限元模型上。

2)建立了LNG全容罐的瞬态热分析有限元模型,获得了热分析中各个部分以及各个时间段上的温度结果,此温度分析结果是后续力学分析的基础。

3)通过热一固耦合,将热学模型转换为力学模型,并施加热荷载、自重等荷载在模型上,获得了储罐混凝土穹顶各个部分的热应变值。通过此结果,可以证明在安全阀火灾热辐射下,LNG全容罐是安全的。

4)研究结果为后期LNG全容罐结构的优化和国内规范的编制工作打下了较好的基础。

 

参考文献

[1]罗伟中,郑洪搜,孟勐.美国出口LNG及对世界LNG市场的影响分析[J].天然气工业,201232(6)93-99

LUO Weizhon,ZHENG HongtaoMENG MegLNG exports from the United States and their impact on the global LNG market[J]Natural Gas Industry201232(6)93-99

[2]李健胡,萧彤.日本LNG接收站的建设[J].天然气工业,201030(1)109-115

LI JianhuXIAO TongExperiences learned from Japan’s LNG receiving terminals[J]Natural Gas Industry201030(1)109-115

[3]黄群,夏芳.LNG储罐国产化的可行性[J].天然气工业,201030(7)80-86

HUANG QunXIA FangA feasibility of China made LNG storage tanks[J]Natural Gas Industry201030(7)80-86

[4]刘小丽.中国天然气市场发展现状与特点[J].天然气工业,201030(7)1-6

LIU xiaoliPresent situation and characteristics of the development of natural gas market in China[J]Natural Gas Industry201030(7)1-6

[5]付子航,单彤文.大型lNG储罐完整性管理初探[J].天然气工业,201232(3)86-93

FU ZihangSHAN TongwenIntegrity management system for large LNG tanks[J]Natural Gas Industry201232(3)86-93

[6]王冰,陈学东,王国平.大型低温LNG储罐设计与建造技术的新进展[J].天然气工业,201030(5)108-112

WANG BingCHEN XuedongWANG GuopingDesign of large low-temperature LNG storage tanks and new progress in its construction technology[J]Natural Gas Industry201030(5)108-112

[7]章伟星,李科浚,周吴,等.薄膜式LNG运输船温度场研究[J].天然气工业,200525(10)110-112

ZHANG WeixingLI KejunZHOU Haoet alStudy on temperature field for membrane type LNG carriers[J]Natural Gas Industry200525(10)110-112

[8]彭明,丁乙.全容式LNG储罐绝热性能及保冷系统研究[J].天然气工业,201232(3)94-97

PENG MingDING YiThermal insulation performance and cold insulation system of full containment LNG storage tanks[J]Natural Gas Industry201232(3)94-97

[9]陶文栓.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,2001

TAO WenshuanNumerical heat transfer[M]Xi¢anXi¢an Jiaotong University Press2001

[10]THEODOREADRIENNEFRANK Pet alFunda mentals of heat and mass transfer[M]New JerseyJohn Wiley&Sons Inc1996

[11]陶文栓,杨世铭.传热学[M].北京:高等教育出版社,2006

TAO WenshuanYANG ShimingHeat transfer[M]BeijingHigher Education Press2006

[12]余其铮.辐射换热原理[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2000

Yu QizhengRadiation heat transfer principle[M]HarbinHarbin Institute of Technology Press2000

[13]王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社,2003

WANG XuchengFinite element method[M]BeijingTshinghua University Press2003

[14]European Committee for StandardizationENl473 Installation and equipment for liquefied natural gas-Design of onshore installations[S]LondonBritain Standardization Institution2007

 

本文作者:余晓峰  王松生  苏军伟

作者单位:中石化洛阳工程有限公司