地面全容液化天然气储存罐的设计和分析

  • 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

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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


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

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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。

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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。

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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。

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顶角建模


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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。


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模拟 

泄漏模拟考察了液化天然气在5个不同的高度,从内罐泄到外罐内壁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,来评估泄的影响。

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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。

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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。

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。

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"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


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