基于流固耦合方法的单容液化天然气储罐地震反应谱分析.pdf

基于流固耦合方法的单容液化天然气储罐 地震反应谱分析 黄志国 ， 黄志新 ， 沈望 ， 杨秀杰 1 ． 承德石油高等专科学校 工业技术 中心 ， 河北 承德0 6 7 0 0 0； 2 ． 安世亚太科技股份有限公 司， 北京1 0 0 0 2 5 ； 3 ． 惠生工程 中国 有限公 司， 上海2 0 1 2 0 3 ； 4 ． 大唐科技产业集 团有限公 司， 北京 1 0 0 0 9 7 摘要 单容罐为 目前常见的液化天然气 L N G 储罐类型之一。基于流 固耦合方法 ， 采用 A N S Y S软 件对单容 L N G储罐罐内液体进行真实的建模 ， 并对运行基准地震 O B E 和安全停运地震 S S E 载 荷作用下的最恶劣组合工况 的整体储罐结构模 型进行 了有 限元分析计算和结果校核。分析结果表 明， 该结构形式的 L N G储罐满足在地震作用下极限状态的设计要求。 关键词 单容罐； 地震反应谱； 流固耦合 中圈分类号 T H 4 9 ； 0 3 4 7 ． 1 ； T B 1 1 5 ． 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 5 0 4 0 0 4 50 6 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 8 3 7 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 0 8 S e i s mi c Re s p o n s e S p e c t r u m An a l y s i s o f S i n g l e Co n t a i n me n t o f LNG S t o r a g e Ta n k Ba s e d o n F l u i d s t r u c t u r e I n t e r a c t i o n M e t h o d HU AN G Z h i g u o ， HU AN G Z h i x i n ， S HE N J u n 。 ， Y AN G X i u j i e 1 ． I n d u s t r y E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y C e n t e r ， C h e n g d e P e t r o l e u m C o l l e g e ， C h e n g d e 0 6 7 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． P E R A G l o b a l C o ． ， L t d ． ， B e i j i n g 1 0 0 0 2 5 ， C h i n a ； 3 ． Wi s o n E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． ， S h a n g h a i 2 0 1 2 0 3， C h i n a ； 4 ． D a t a n g T e c h n o l o g y I n d u s t G r o u p C o ． ， L t d ． ， B e i j i n g 1 0 0 0 9 7 ， C h i n a Ab s t r a c t S i n g l e c o n t a i n m e n t t a n k i s o n e o f t h e c o m mo n t y p e s o f l i q u e fi e d n a t u r al g a s L N Gs t o r a g e t a n k s ． B a s e d o n t h e fl u i d s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n me t h o d， l i q u i d i n s i n g l e c o n t a i n me n t o f L N G s t o r a g e t a n k Was mo d e l e d b y u s i n g t h e AN S YS s o f t w a r e， fi n i t e e l e me n t a n aly s i s a n d r e s u l t s c h e c k o f t h e wh o l e t a n k s t r u c t u r e mo d e l Was c a r r i e d o u t u n de r t h e wo mt l o a d i ng c o mb i n a t i o n c o n d i t i o n o f o p e r a t i n g b a s i s e a r t h q u a k e O B E a n d s a f e s h u t d o w n e a r t h q u a k e S S E ． A n a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t t h e s t ruc t u r e o f L N G s t o r a g e t a nk me e t s the d e s i g n r e qu i r e me nt s o f l i mi t s t a t e un d e r s e i s mi c a c t i o n． Ke y wo r d s s i n g l e C o n t a i n me n t t a n k； s e i s mi c r e s p o n s e s p e c t rum； fl u i d - s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n 0 引言 单包容罐为 目前常见的液化天然气 L N G 储 罐类型之一 ， 简称单容罐 。单容罐只由一个储 存液体产品的容器 主液体容器 组成， 该液体主 容器为自 支承式钢质圆筒形储罐。单容罐的主要 优势在于造价低和工期短。文中拟采用基于流 固 4 5 基于流固耦合方法的单容液化天然气储罐地震反应谱分析 耦合方法， 对单容 L N G储罐罐内液体进行真实的 建模 ， 并对运行基准地震 O B E 、 安 全停运地震 S S E 载荷作用下最恶劣组合工况的整体储罐结 构模型进行有限元分析计算和结果校核 。 1 单容 L N G储罐基本几何参数 文中的分析对象为 2万 m 的单容 L N G储 罐， 主要部分包括钢制外罐罐体、 外罐穹顶钢框架 及钢质顶面板、 底部绝热保温系统及内罐底圈梁、 钢制内罐罐体、 罐内液体、 铝吊顶及吊杆结构等。 结构形式如图 1所示。 图 1 典型单容 L N G储罐结构示意 其中外罐主要由3 个部分构成 罐底、 罐壁以 及罐壁上的加强圈。穹顶钢框架及其顶面板是通 过罐顶加强环与外罐壁板焊接连接在一起的， 钢 质顶面板铺于框架钢梁上。 内罐也主要 由罐底 、 罐壁以及罐壁上 的加强 圈 3个部分构成 。铝 吊顶主要由铝板 、 吊杆、 吊杆 与铝板连接处的环肋、 外围密封连接等四大部分 构成。在 内罐顶部位置 的罐壁 以内、 顶 部加强 圈 以上 、 铝 吊顶板外缘 以外的区域， 放置了一圈弹性 毡 ， 使连接位置达到绝热和密封效果。同时 ， 通过 弹性毡的传力 ， 使得铝 吊顶 和内罐在结构动态 响 应时相互联系起来 ， 对 吊顶 的振动变形起到抑制 作用 。 底部绝热保温系统介于 内、 外罐体的底部之 间， 其作用一是保温 ； 二是承载 内罐 的重力等载 荷。在整体结构分析中， 需要一起考虑其力学性 能及相应贡献。绝热保 温系统从厚度方 向看 ， 主 要 由3层构成 最底层的素混凝土找平层 、 中间的 泡沫玻璃砖层 以及最上面的沙子找平层 。 内罐中的 L N G液体 正常操作 时的液 面高度 相对 于 罐底 为 1 8 9 6 0 m m， 最 大设 计 液 位 为 1 9 6 0 0 mm。 分析中所采用的材料参数如表 1 所示。 表 1 L N G储罐主体部分的材料参数 材料参数 位置 材料 弹性模量／ M P a 泊松比 密度／ k g m 外罐罐底及罐壁 1 6 Mn D R 2 0 61 0 O ． 3 7 8 5 0 外罐加强圈 S 3 O 4 0 8 2 1 01 0 0 ． 3 7 9 0 0 穹顶钢结构 1 6 Mn D R 2 0 6 1 0 0 ． 3 7 8 5 0 内罐罐壁及加强圈 S 3 O 4 O 8 2 1 01 0 0 ． 3 7 9 o o 圈梁及 圈梁外部绝热 系统 混凝土 3 O 1 O 0 ． 2 2 4 0 0 泡沫玻璃砖 泡沫玻璃砖 8 0 o O ． 2 1 5 0 2 单容 L N G储罐有限元分析模型 2 ． 1 分析模型单元的选取 考虑到结构及载荷的对称性， 计算模型可以 简化为具有对称面的 1 ／ 2模型。文中分析综合采 用了多种 单 元 进 行 模 拟u 。 。 ， 主 要 包 括 壳 单 元 S h e l l 1 8 1 、 梁单元 B e a m 1 8 8 、 杆单元 L i n k 1 8 0 、 实 体单元 S o l i d 1 8 5 、 弹簧单元 C o m b i n 1 4 、 流体单元 F l u i d 8 0等 。本分析模 型中采用壳单元进行罐体 建模 ； 采用壳单元 、 梁单元和杆单元相结合进行顶 梁／ 穹顶框架结构建模 ； 采用壳单元、 梁单元 和杆 单元相结合进行铝 吊顶结构建模 ； 采用实体单元 进行保温系统和圈梁建模 ； 采用弹簧单元来模 拟 弹性毡的作用； 采用流体单元进行罐内液体建模 。 所采用 的流体 单元 F l u i d 8 0为三维容器 流体 单 元 ， 该流体单元可用 于模拟装在容器 内的无净流 率 的流体 ， 特别适合 于计算静水压力 以及流体与 C P V T 基于流固耦合方法的单容液化天然气储罐地震反应谱分析 及偶然载荷。 其 中， 永久载荷包括 混凝土 、 钢结构 、 绝热结 构 、 管道 、 配件 、 各种辅助和固定设备等的 自重。 可变载荷 包括 L N G的液体 静压载 荷； 附加 载荷 罐顶投影面上均布载荷、 罐顶平台和走道 上均布载荷、 罐顶走道的中心位置处的集中载 荷 ； 设计 内负压 真空度 载荷 ； 温度载荷 主要 考虑正常操作工况 ， 按照年平均 、 夏季及冬季环境 温度来计算 。由于温度场分析与结构分析所关 注的重点不一样 ， 采用不 同的模 型分别进行温度 场计算和结构计算， 将温度场计算结果进行 自动 插值计算， 再施加到结构模型上作为温度载荷进 行相应的结构力学分析。 O B E地震作用是属于“ 可变载荷” 中的一类 ， E N 1 4 6 2 01 _2 0 0 6中规定 的 O B E地震 动采 用 5 O 年超越概率 1 0 ％ 即重现期4 7 5年 、 在5 ％阻 尼 比下响应谱所代表的振动。在地震动态响应分 析中， 整个分析对象及各部分阻尼的确定对计算 结果有较大的影响 ， 主要体现在两个方面 一是影 响地震动参数的取值 地震反应谱的各参数都与 结构阻尼相关， 都有相应的调整方式 ； 二是影响 结构的响应 _ l - 1 4 ] 。 在本分析中 ， 因为钢结构 占整个结构 的主要 部分， 因此在对整个 L N G储罐系统进行整体的地 震响应分析时 ， 选取钢结构的典型阻尼 比0 ． 0 2作 为地震动参数 的整体阻尼 比。响应计算过程 中， 阻尼 比典型值参考 了 B S E N 1 9 9 84 0 0 6 抗 震结构设计 第 4部分 筒仓 、 贮水池和管道 以及 E N 1 9 9 82 _2 0 0 5 结 构 抗 震 设 计 桥 梁 等 - 1 8 ] 。各个主要部分 的阻尼 比取各 自的典型 值如下 1 焊接钢结构 如穹顶、 内罐 的阻尼 比 2％ ； 2 钢筋混凝土的阻尼比 5 ％ ； 3 水和其他液体的阻尼比 0 ． 5 ％。 此次分析还考虑了偶然载荷 ， 就是安全停运 地震 S S E 作用。S S E地震作用是属于 “ 偶然载 荷” 中的最重要一类 ， E N 1 4 6 2 01 2 0 0 6中规定 的 S S E地震动采用 5 0年超越概率 1 ％ 即重现期 4 9 7 5年 、 在 5 ％阻尼 比下 响应谱所代表的振动 。 因此在分析中所采用的取值如下H 1 反应谱采用 G B 5 0 0 1 1 _2 O 1 O 建筑抗震 设计规范 定义的地震影响系数曲线， 曲线的 各关键参数根据规范的相应要求来选取 ； 2 根据 G B 5 0 0 1 1 _2 0 1 0中的说明 ， 本分析 场址 7度 0 ． 1 g 的 S S E地震性能化设计的地震 影响系数最大值为 ～ O ． 5 0 g ； 3 根据 G B 5 0 0 1 1 _ _ 2 0 1 O中的说 明， “ 计算 罕遇地震作用时 ， 特征周期应增加 0 ． 0 5 s ” ， 反应 谱的特征周期为 0 ． 5 s 。 3 有限元结果计算和结果校核 在分析 中， 需要充分考虑各种载荷组合 的作 用 ， 因此根据规范 B S E N 1 4 6 2 01 2 0 o 6要求和 实际工况 ， 组合出最恶劣的极限组合工况 ， 以下是 考虑了地震载荷作用 的有限元计算结果 。 3 ． 1 考虑 O B E地震载荷作用下的极 限组合工况 根据规范 B S E N 1 4 6 2 01 2 0 0 6要求 和实 际工况情况 ， 考虑 O B E地震载荷作用下 的极限组 合工况时 ， 其工况组合系数如表 2所示 ， 整体结构 的计算结果如图 8所示。 L N G储罐主要含两大类结构 混凝土结构和 金属结构 。 混凝土可视为脆性破坏材料， 其强度破坏一 般是受主应力 控制， 主要会 因拉应力 第一 主应 力 过大而开裂 、 或因压应力 第三主应力 过大 而压碎。因此， 在对混凝土结构做强度校核时 ， 基 于第 一强度 理论 ， 首要 考虑是 看其最 大 的第 一 受拉 和第三 受压 主应力分布状况， 然后再根 据其他情况评价其强度指标 。 表2 考虑 O B E地震载荷作用下的极限组合工况系数 载荷类型 自重 O B E地震 液体压力 附加载荷 年均气温正常工况温度载荷 设计内负压 组合系数 1 ． 0 1 ． O 0 ． 8 0 ． 3 1 ． O 1 ． 0 第 3 2卷第 4期 压 力 容 器 总第 2 6 9期 图8 考虑 O B E地震载荷作用下的极限组合 工况应力分布云图 金属材料一般是塑性垮塌失效 ， 通常采用基 于第三强度理论的应力强度来对其做强度评定。 对于金属材料又分为两种情况 由于内罐是承压 构件 ， 因此采用分析设计方法进行应力分类对结果 进行校核 ； 其他金属结构 ， 包括外罐罐底及罐壁、 穹 顶钢结构等部分 ， 采用第四强度理论进行校核。 表 3 5列出了各个关键位置处的校核结果。 通过对关键部位的应力值进行评定后， 可以获得 如下结论 1 整个结构设计合理， 在正常使用极限状 态 S L S 工况下 ， 预计不会发生严重的强度问题 ； 2 内罐、 外罐、 吊顶等结构在各工况下的强 度富余量都较大， 可靠性很高； 3 圈梁和穹顶钢框架都没有明显 的强度不 足问题 。 表 3 考虑 O B E地震 载荷作用下混凝土结构部分强度校核 位置 材料 最大 S l 应力／ MP a 最小 S 应力／ M P a 许用抗压强度／ MP a 许用抗拉强度／ MP a 环梁 C 3 5 0 ． 9 3 6 O ． O 9 6 5 2 3 ． 1 1 ． 8 9 表 4 考虑 O B E地震载荷作用下内罐罐壁的最大应力结果强度校核 位置 材料 P ／ MP a K S ／ MP a P 6 ／ MP a 1 ． 5 KS ／ MP a 内罐罐壁 S 3 O 4 O 8 1 O 9 ． 2 4 3 1 6 4 ． 4 l 1 O ． 3 2 4 6 ． 6 表 5 考虑 O B E地震载荷作用下其他金属结构 部分强度校核 结构上最大等 许用应力／ 位置 材料 效应力／ MP a MP a 外罐罐底、 罐壁 1 6 Mn D R 7 O ．2 7 1 7 4 及穹顶钢结构 3 ． 2 考虑 S S E地震载荷作用下的极限组合工况 根据规范 B S E N 1 4 6 2 01 喇6要求和实 际工况情况 ， 考虑 S S E地震载荷作用下的极 限组 合工况时， 其工况组合系数如表 6 所示。 整体结构的计算结果如图9所示， 并提取了 关键部位 的应力值 ， 其校核结果如表 7～ 9所示 。 表 6 考虑 S S E地震载荷作用下 的极 限组 合工况系数 载荷类型 自重 S S E地震 液体压力 附加载荷 年均气温正常工况温度载荷 设计内负压 组合系数 1 ． 0 1 ． 0 0 ． 8 O ． 3 1 ． O 1 ． 0 表 7 考虑 S S E地震载荷作用下混凝土结构部分强度校核 位置 材料 最大 S 。 应力／ MP a 最小 S 3 应力／ MP a 许用抗压强度／ MP a 许用抗拉强度／ MP a 环梁 C 3 5 2 ． O 3 0 ． 2 1 2 3 ． 1 1 ． 8 9 C P V T 基于流固耦合方法的单容液化天然气储罐地震反应谱分析 V o 1 ． 3 2 N o ． 4 2 0 1 5 表 8 考虑 S S E地震载荷作用下内罐罐壁的最大应力结果强度校核 位置 材料 P ／ MP a K S ／ MP a P L P b ／ MP a 1 ． 5 KS ／ MP a 内罐罐壁 S 3 O 4 0 8 1 3 8 ． 9 7 1 6 4 ． 4 1 4 1 ． 5 4 2 4 6 ． 6 表 9 考虑 S S E地震载荷作用下其他金属结构 部分强度校核 结构上最大等 许用应力／ 位置 材料 效应力／ MP a MP a 外罐罐底、 罐壁 1 6 Mn D R 7 O ．3 1 7 4 及穹顶钢结构 ． I j 三 二 ； _ 酱 盔 2 9-一 4 4 0 31 ． 45 4 3 6 2． 90 8 5 94 ． 3 6 28 1 2 5． 8l 7 图 9 考虑 S S E地震载荷作用下的极限组合 工况应力分布云图 通过对结果评定后 ， 可以获得如下结论 1 整 个 结 构 在 所 有 承 载 能 力 极 限状 态 u t s 工况下， 应力值较大， 但不至于发生破坏， 预计不会发生严重的强度问题 ； 2 内罐、 外罐 、 吊顶等结构在各工况下的强 度均满足极限承载能力要求 ； 3 圈梁和穹顶钢框架都没有明显 的强度不 足问题。 4结论 采用 A N S Y S软件完整地建立 了整个 L N G储 罐的整体力学分析模型， 涵盖外罐、 穹顶钢结构和 面板、 内罐、 罐底保温系统以及吊顶等各主要结 构 ， 分析模型的完整性很高。O B E地震和 S S E地 震反应谱分析 中都采用了静压流体单元来模拟内 罐 中的 L N G液体 ， 这种流固耦合方式 比纯结构 的 附加质量方法准确性更高。 5 0 本次分析对载荷的考虑比较完善， 考虑了永 久载荷、 可变载荷及偶然载荷等作用， 并综合考虑 了相关规范 的要求 ， 对各种载荷之间的工况组合 进行分析 ， 确认了最恶劣的工况组合。对 O B E地 震 、 S S E地震载荷作 用下最恶劣组合工况 的整体 储罐结构模型进行了有限元分析计算和结果校 核 。计算结果表明 ， 该结构形式的 L N G储罐满足 在地震作用下极 限状态的设计要求。 参考文献 [ 1 ] 张超． A N S Y S软件在 L N G储罐有限元分析中的应 用[ M] ． 北京 国防工业出版社 ， 2 0 1 4 ． [ 2 ] 周波． 大型 L N G储罐在静力及动力工况下的有限 元分析[ D] ． 天津 天津大学， 2 0 1 2 ． [ 3 ] 王伟玲． 大型 L N G预应力储罐静力荷载下受力性 能研究 [ D] ． 大庆 大庆石油学院， 2 0 0 9 ． [ 4 ] 穆春生． L N G储罐在静风和内压作用下受力性能分 析[ D] ． 大庆 东北石油大学， 2 0 1 1 ． [ 5 ] 蒲玉成， 苏娟． 大型 L N G预应力混凝土储罐的力学 分析[ J ] ． 港工技术 ， 2 0 1 2 ， 4 9 5 2 8 3 0 ． [ 6 ] 魏会东． 大型 L N G储罐结构及保冷性能研究 [ D] ． 青岛 青岛科技大学， 2 0 1 0 ． [ 7 ] 周波． 大型 L N G储罐在静力及动力工况下的有限 元分析[ D] ． 天津 天津大学 ， 2 0 1 2 ． [ 8 ] 李思． 全容式 L N G储罐的地震响应分析[ D] ． 天津 天津大学， 2 0 1 0 ． [ 9 ] 孙建刚， 张丽 ， 袁朝庆． 立式储罐基础隔震动力反应 特性分析[ J ] ． 地震工程与工程振动， 2 0 0 1 ， 2 1 3 1 4 01 4 4． [ 1 0 ] 黄志新． A N S Y S Wo r k b e n c h 1 4 ． 0 超级学 习手册 [ M] ． 北京 人民邮电出版社， 2 0 1 3 ． [ 1 1 ] B S E N 1 4 6 2 01 _ 2 0 o 6 ， 工作温度0℃ ～一1 6 5℃ 液态气体冷冻储存用垂直圆柱平底钢罐现场制造 的设计和生产 总则[ s ] ． [ 1 2 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