热应力作用下LNG储罐外罐裂缝及失效时间分析

对于大型液化天然气储罐,内罐泄漏时,由于内外表面温差产生的巨大热应力对于外罐裂缝开展及储罐失效有非常重要的影响。为了获得外罐裂缝的开展规律以及储罐失效时间以便指导实际工程的设计与维护,利用传热学与弹塑性力学相关理论,提出了一种应力叠加方法,近似计算在内罐泄漏时外罐出现裂缝的内外温差,并且结合数值模拟结果进行对比分析,验证理论方法的准确性,确定裂缝开展规律,最终求得内罐从最不利泄漏点开始泄漏到外罐内侧混凝土开裂的储罐失效时间。结果表明:①内罐泄漏时,热应力巨大,不可忽略,热应力和其他荷载共同作用导致外罐产生大量裂缝,裂缝首先在外罐顶部内表面产生,并迅速向外表面开展,最终贯穿罐顶,导致储罐失效;②首次求得了储罐从内罐开始泄漏到外罐产生裂缝的最小时间,在此时间内采取有力措施及时处理,对控制事故发展、避免发生严重灾害具有重要意义。     

大型液化天然气储罐混凝土外罐施工期间温度裂缝预测

以160 000 m³大型预应力液化天然气(LNG)全容罐混凝土外罐为研究对象,在利用ANSYS软件建立精细化LNG储罐混凝土外罐有限元模型的基础上,按实际结构施工顺序与时间,模拟了LNG储罐混凝土外罐全部混凝土浇筑过程,获得了在变温条件下,由水化热作用产生的混凝土外罐早期温度场分布;在考虑混凝土收缩和徐变的条件下,采用增量法计算了混凝土外罐的早期温度应力,确定了随时间及配筋率变化的混凝土早期抗拉强度,进而对LNG储罐混凝土外罐施工阶段的裂缝发育特征及分布规律进行了预测。结果表明,混凝土收缩对温度应力影响显著,在150 d的模拟时间段内结构温度应力呈现持续增长状态;第1浇筑段的LNG外罐温度应力明显大于其他浇筑段的温度应力,且该浇筑段的罐壁在模拟期内将产生竖向裂缝,扶壁柱处将产生局部环向裂缝。该结论可为同类工程施工建造开展相应的抗裂措施提供依据。     

LNG储罐外罐施工期间的温度应力及裂缝分布

大型LNG储罐外罐在混凝土浇筑过程中,水泥水化热会导致外罐产生较大的温度应力,从而引起混凝土开裂,将严重影响储罐的耐久性。为此,以山东某大型LNG储罐混凝土外罐为研究对象,采用ADINA有限元软件建立了精细化的LNG储罐有限元模型,按照实际的施工顺序与时间,模拟了LNG储罐外罐混凝土分层浇筑过程中的早期温度场分布;在考虑混凝土龄期效应的基础上,将外罐的温度场和结构场进行耦合,分析了外罐的温度应力及裂缝分布情况,评估了外罐混凝土开裂的风险。结果表明:1外罐在施工期间将产生较大的内外温差,引起较大的温度应力;2第1浇筑层的温度应力明显大于其他浇筑层,且第一主应力为环向应力,将使此处混凝土产生沿竖向开展的裂缝;3因为约束作用减弱,其他浇筑层混凝土产生温度裂缝的可能性很小。该研究成果为LNG储罐外罐温度裂缝控制提供了参考。     

LNG储罐外墙温度应力分析及预应力筋设计

大型LNG储罐的外墙一般由预应力混凝土建造,其应力分布及变形比较复杂。在介绍预应力混凝土外墙温度应力计算方法的基础上,采用理论分析的方法,推导出了圆筒形外墙温度应力的计算公式、外墙在温差荷载及其他普通荷载作用下预应力筋的计算公式以及最大环向应力所在位置计算公式,进而给出了预应力筋结构调整的方案。研究结果表明,内罐的超低温液体会使预应力混凝土外墙产生很大的温度应力,环向温度应力最大可达混凝土抗拉强度的一半,使外墙在受内压时更加危险,因此在环向预应力筋设计时须考虑温差荷载影响。而后采用ADINA有限元软件建立多个钢筋混凝土分离式模型进行数值模拟,不仅验证了所推导公式的正确性,而且证明了该结构优化方案使外墙的变形及应力分布更加合理。     

内外压热应力影响下西气东输二线长输管道变形的有限元分析

管道在输气过程中由于热胀冷缩效应会产生热应力,造成管道伸缩挤压而产生弯曲变形。为此,根据西气东输二线的现场实际资料,建立了进出压气站管道热应力有限元模型,应用Ansys有限元分析软件,计算分析了管道在内外压及输气温度作用下的管道应力及应变的分布规律：①温度变化对管道应力影响较大,管道应力随输气压力的增加而增加,管道外壁压力对管道应力及变形影响较小;②管道内外壁温差对管道应力影响较大,管道两端有固定墩约束时,应力随温度的增加而增大,管道一端有固定墩约束时,应力随温差的增加而逐渐减小;③管道内外壁温差较小、管道两端有固定墩约束时,应力随输气温度的增加而明显增大;④管道内外壁温差较小、管道一端有固定墩约束时,应力随输气温度的增加变化不大。因此,管道进出站场时,应在适当的距离增加弯头,使热应力有效分散到弯管处,并增加固定墩保护,以保证管道及站场设备安全及正常生产。     

大型LNG储罐混凝土外罐徐变效应分析

大型LNG储罐在运行期间,外罐预应力混凝土徐变效应产生较大的拉应力,从而导致混凝土的开裂,将严重影响储罐的耐久性和安全性。以山东某大型LNG储罐外罐混凝土徐变效应为例,采用ADINA有限元软件建立了LNG储罐混凝土外罐徐变精细化有限元模型,分析了在预应力、内压、自重及混凝土徐变作用下,外罐的应力、应变及裂缝分布规律,获得了外罐罐底应力及应力增量时程曲线。研究结果表明,徐变作用使外罐第一主应力随着时间的推移不断增大,在储罐运行200 d时第一主应力超过了混凝土抗拉强度,外罐混凝土开始产生沿竖向分布的环向裂缝。该研究成果可为LNG储罐结构设计提供一定参考。     

混凝土储油罐低温荷载模型试验

为了解混凝土储油罐在温差作用下的温度传播规律,进行了低温荷载模型试验。试验结果表明:加载初期储罐内外表面温差较大且分布很不均匀,是罐壁产生较大温度应力的危险时间段。采用过渡层模拟加载液体与模型内表面的温差,进行有限元计算,计算结果与试验结果相符。采用有限元法,计算原型混凝土储油罐低温储油时的温度场,进而对储油罐的设计和施工提供参考依据。     

全容式LNG储罐罐体温度场计算及分析

全容式LNG储罐是目前国内LNG接收站普遍采用的罐型,LNG储罐储存低温液体,内外温差大,罐体结构复杂,温度场分布对储罐的结构设计影响大。以国内某LNG接收站的全容式储罐为例,通过对储罐底部、罐壁和顶部结构及传热过程的分析,建立了罐体各部位温度场计算模型,利用ANSYS软件计算得到了LNG储罐罐顶、罐壁、罐底的温度场分布,并分析了计算结果。储罐结构设计时应考虑储罐绝热层与内罐体接触部位热应力影响;同时应优化储罐底部的结构,有效降低罐底漏热量。     

油田构造应力场驱动油气运移的理论和方法研究

依据连续介质力学的理论,采用有限元数值模拟方法,通过平均应力将固体应力场与流体压力场有机结合,并以辽河油田现今构造应力场为例,探讨了构造应力与构造热应力对多孔介质中油液不同的驱移作用.研究表明:具挤压特征的构造应力场对盆地油气宏观分布有重要意义,油液有从高应力区向盆地内以主干断裂和软弱带为代表的低应力区迁移的趋势.温差引起的局部应力相当于孔隙压力的作用,能较好地模拟低洼带的油气向周围高点迁移的特点,也是重要的驱动因素.二者联合作用驱动的流体运移速度场能更好地解释现今油田的分布特征,并对预测油气聚集的优势区有指导意义.     

内压厚壁圆筒体最大允许内外壁温差的研究(下)

通过应力分类和评定 ,研究了稳定温度场中承受内压与径向温度梯度的厚壁圆筒体的最大允许内外壁温差。研究表明 ,在GB15 0规定的设计压力下 ,对于大多数在高温下工作有保温层的厚壁圆筒能够满足强度要求 ,当超过相应的最大允许内外壁温差时 ,需要对内压引起的应力和温差引起热应力的组合应力进行强度校核计算。同时 ,针对应力分类评定存在的缺陷进行了讨论     

10万m~3原油储罐的应力测试及分析

10万m3原油储罐是国内目前最大的油罐 ,为了获得大角焊缝和第一、二圈罐壁等关键部位的应力分布情况 ,并检验设计的合理性和运行的安全性 ,对其中一台进行了应力测试和评定。结合大型油罐及现场的特殊情况 ,测试采用静态电阻应力 应变的方法。理论分析和计算表明 ,被测点油罐外壁的环向应力测试值与理论计算值基本一致 ,环向应力的最大值出现在第一圈罐壁与第二圈罐壁连接处的上侧。按分析设计标准对油罐进行评定的结果证明 ,该油罐设计合理 ,在正常的操作条件下应力水平完全满足强度要求。测试所采用的方法和得到的结果对今后10万m3及 10万m3以上油罐的设计和测试有一定的参考作用     

全容式LNG储罐混凝土外罐的罐壁罐顶厚度取值研究

全容式LNG储罐的混凝土外罐是由圆形底板、圆柱形预应力罐壁和穹形罐顶组成的超静定结构。在进行混凝土外罐的有限元分析时,必须先确定外罐的几何尺寸,这些几何尺寸的合理与否关系到计算分析的效率。通过对外罐在起控制作用的荷载作用下的受力特性分析,结合不同设计极限状态下的强度和正常使用要求及各自的荷载系数,推导了罐顶厚度、罐顶腋部厚度和罐壁厚度的计算公式。研究结果已应用到江苏LNG、大连LNG的工程设计中,证明是正确的。     

稀土合金防护层在液化气球罐中的应用

介绍了某厂液化气球罐内壁腐蚀情况,通过分析是因为球罐内壁存在应力腐蚀(SSCC)环境,造成球罐内壁焊道的热影响区出现裂纹,影响球罐的安全使用.阐述采用稀土合金(Zare)涂层可以解决球罐内壁应力腐蚀的问题,并说明了球罐内壁防腐涂装的工艺技术条件.     

液化天然气储罐用9％Ni钢设计许用应力分析

9％Ni钢板作为内罐材料被广泛应用于大型液化天然气（LNG）储罐建设中,目前国内LNG项目中9％Ni钢基本依赖进口。国内在进行LNG储罐设计时,许用应力取值差异较大,直接影响内罐壁厚的最终计算取值。以国内两个已投产LNG项目设计时9％Ni钢设计许用应力取值为基础,对材料许用应力取值上的差异进行了比较和分析。     

子午线型单层网壳在大型储罐顶盖应用中的规范执行问题

针对国内石油化工行业大型储罐固定顶盖广泛应用的子午线型穹顶单层钢网壳所采用的设计规范之间存在着衔接上的空缺点,特别是在网壳结构设计的安全系数取值上存在着较大差异的问题进行了分析讨论,提出对于储罐顶盖采用子午线型穹顶单层钢网壳及其它各类网壳时,应以网壳结构设计规范为主,合理取用安全系数。