一种LNG储罐的内罐高度设计方法技术

本发明专利技术涉及一种LNG储罐的内罐高度设计方法，步骤为：根据圆柱容器内的LNG液体的运动形式构造液体单元；建立数值模型；采用缩减法对数值模型进行模态分析，获得每一阶模态的固有频率、阻尼比和模态振型；输入不同阻尼比对应的地震加速度谱，与模态分析结果相关结合，进行响应普分析，计算地震响应结果；提取响应谱分析结果，确定晃荡波高；通过确定影响参数，对参数进行敏感性分析，根据参数的影响规律，采用多参数拟合法确定晃荡波高计算公式；根据计算的晃荡波高确定LNG储罐内罐高度。本发明专利技术通过准确计算地震激励下LNG储罐内液体晃荡波高确定LNG储罐的内罐高度，可广泛应用于LNG储罐设计中。

【技术实现步骤摘要】
一种LNG储罐的内罐高度设计方法
本专利技术涉及一种LNG(液化天然气)储罐的设计方法，特别是关于一种LNG储罐的内罐高度设计方法。
技术介绍
LNG行业作为一种新兴的行业发展迅速，目前在全球范围内投资建设了大量的LNG接收站，LNG储罐作为LNG的存储设备，在接收站的投资费用中占据非常大的比例。在LNG储罐设计中，内罐高度的确定是设计LNG储罐内罐的关键，若内罐高度不够，则在地震激励下LNG容易从内罐溢出，对LNG储罐造成破坏，影响储罐服役的安全性；若内罐高度过大，则增大了LNG储罐的制造成本，而地震激励下LNG储罐内液体晃荡波高是确定内罐高度的一个重要参数，因此，准确地计算出地震激励下液体晃荡波高是合理设计LNG储罐内罐的重要步骤。在LNG技术发展初期，计算地震激励下LNG储罐内液体晃荡波高的方法主要依靠1978年R.S.Wozniak导出的经验公式，并由该公式发展出多种规范算法，为LNG储罐的设计提供了一定的依据，但这些公式计算过程复杂，要计算大量的中间参数，且适应性差，一旦内罐结构形式发生变化则难以采用公式计算。后来随着数值技术的发展，相关学者研究了地震激励下LNG晃动波高的数值计算方法，这些方法大多借助于有限元软件计算，采用边界单元模拟LNG；有限元方法基于离散思想，对LNG与内罐结构的模拟具有较好的适应性，但是边界单元只能够准确地模拟LNG与内罐之间的相互作用关系，难以准确地模拟LNG在地震激励下的晃荡形态，因而也就难以准确地计算出晃荡波高。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种通过准确计算地震激励下LNG储罐内液体晃荡波高确定LNG储罐的内罐高度的，可广泛应用于LNG储罐设计中的LNG储罐的内罐高度设计方法。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种LNG储罐的内罐高度设计方法，包括以下步骤：1)设置含有液体的圆柱容器，利用有限元软件将液体离散成细小的六面体单元，对该六面体单元赋予LNG材料属性，并在其表面设置一种刚度为KS的弹簧模拟液体自由表面效应，通过液体的运动方程确定弹簧刚度KS为：Ks＝ρAF(Cxgx+Cygy+Czgz)；式中，ρ为液体密度，AF为液体表面面积，(x,y,z)是以圆柱容器内的液体表面中心为原点的空间直角坐标，gi(i＝x,y,z)为LNG液体运动时i方向的加速度，Ci(i＝x,y,z)为加速度gi在向量i方向的系数；2)数值模型的建立：根据LNG储罐结构组成建立储罐数值模型，数值模型包括LNG储罐内罐模型、外罐模型、LNG液体模型、LNG桩基模型、LNG与内罐的流固耦合模型，将各模型之间根据接触情况设置对应的约束关系，其中外罐与桩基之间采用多点约束、内外罐之间采用垂直面向约束、LNG与内罐之间采用界面耦合；3)模态分析：采用减缩法对数值模型进行模态分析，获得各阶模态的固有频率值、阻尼比和模态振型；4)响应谱分析：输入不同阻尼比对应的地震加速度谱，将步骤3)中获得的模态分析结果与输入的地震加速度谱相结合，根据模态分析得到的各阶模态的固有频率值自动检测加速度谱值，然后利用该加速度谱值计算各阶模态的固有频率值所对应的地震响应，最后采用模态组合方法计算整个频率范围内的地震响应结果，该地震响应结果存入结果数据库中；5)响应谱分析结果的提取：从响应谱分析输出的结果数据库中提取地震位移响应结果，通过地震响应位移结果中的竖向位移结果确定晃荡波高；6)确定LNG储罐地震激励下晃荡波高计算公式：dmax＝1300CSagtanh(3.68H/D)/g；式中，dmax为晃荡波高，ag为场地地表峰值加速度，H为LNG液位高度，D为内罐直径，g为重力加速度，CS为与场地类别有关的系数，场地类别依据欧标EN1998-4:2006确定；7)LNG储罐内罐高度的确定：根据储罐参数以及运行基准地震和安全停运地震的条件，通过上述公式分别确定运行基准地震、安全停运地震下的晃荡波高dmax-OBE和dmax-SSE，根据规范API625的要求，内罐设计高度取以下三个数据中的最大值：①最大设计液位+300mm；②最大操作液位+dmax-OBE+300mm；③最大操作液位+dmax-SSE。所述步骤2)中数值模型借助于有限元软件建立，或采用数值计算语言编程建立。所述步骤3)中模态分析中扩展的模态数量必须保证模态质量占总质量的比例达到95％以上。所述步骤6)中，所述LNG储罐地震激励下晃荡波高计算公式确定方法包括以下步骤：(1)在常规储罐结构形式的基础上，采用所述步骤1)～步骤5)确定晃荡波高，并确定影响参数为内罐直径D，高径比H/D，场地地表峰值加速度ag以及内罐平均壁厚t；H为液体高度，D为内罐直径；(2)对确定的影响参数进行敏感性分析；(3)根据各参数的影响规律，采用多参数拟合法确定晃荡波高计算公式，公式表达式如下：dmax＝1300CSagtanh(3.68H/D)/g。所述步骤(3)中，各参数对晃动波高的影响规律如下：(a)随着内罐直径D的增大晃动波高变小，这是因为在液位高度不变的情况下增大内罐直径D将增大晃动周期，从而降低晃动模态对应的加速度及晃动波高；根据晃动波高的变化趋势确定晃动波高随内罐直径D的变化成线性，采用一线性函数进行拟合，函数表达式为：dmax＝-3.98D+1227.5；(b)晃动波高随着高径比的增大而增大，但增大速度逐渐变小，直至最后基本保持不变；采用一双曲正切函数进行拟合，拟合函数为：dmax＝982.8tanh(3.68H/D)；(c)晃动波高随着地表峰值加速度ag呈线性增大，且增大趋势明显，采用一线性函数进行拟合，拟合函数为：dmax＝2534ag；(d)内罐平均壁厚t较小时晃动波高有微小变化，随着内罐平均壁厚t的增大晃动波高保持不变，总体来看内罐平均壁厚t对晃动波高的影响很小，故忽略不计。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本专利技术由于采用现代数值计算方法，借助于有限元技术，基于LNG液体运动形态构造液体单元模拟LNG，采用响应谱分析地震荷载，根据位移响应结果计算晃荡波高，可以准确地模拟LNG与内罐之间的相互作用关系，提高了LNG储罐地震激励下液体晃荡波高计算的准确性，从而合理地设计LNG储罐的内罐高度。2、本专利技术由于利用现代计算机技术，采用数值计算方法进行计算，自行构造液体单元，不受具体结构形式的约束，因此，可以用于任意结构形式的LNG储罐，解决了对于非常规结构形式内罐采用传统经验公式法无法计算的问题。3、本专利技术确定的常规储罐地震激励下液体晃荡波高计算公式只有一个表达式，表达式中只有四个变量，且这四个变量在储罐设计之初即能确定，不涉及中间参数的确定，故在设计LNG储罐内罐高度过程中提高计算结果准确性的同时大大简化了液体晃荡波高的计算量。因此，本专利技术可广泛运用于LNG储罐设计中的LNG储罐的内罐高度设计中。附图说明图1是本专利技术的流程示意图；图2是本专利技术中构造液体单元所用的圆柱容器内液体模型；图3是本专利技术中采用有限元软件建立的LNG储罐整体模型；图4是本专利技术中不同阻尼比对应的地震加速度谱曲线，其中，表示阻尼比为5％所对应的地震加速度谱曲线，表示阻尼比为2％所对应的地震加速度谱曲线，表示阻尼比为0.5％所对应的地震加速度谱曲线；图5是本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种LNG储罐的内罐高度设计方法，包括以下步骤：1)设置含有液体的圆柱容器，利用有限元软件将液体离散成细小的六面体单元，对该六面体单元赋予LNG材料属性，并在其表面设置一种刚度为KS的弹簧模拟液体自由表面效应，通过液体的运动方程确定弹簧刚度KS为：Ks＝ρAF(Cxgx+Cygy+Czgz)式中，ρ为液体密度，AF为液体表面面积，(x,y,z)是以圆柱容器内的液体表面中心为原点的空间直角坐标，gi(i＝x,y,z)为LNG液体运动时i方向的加速度，Ci(i＝x,y,z)为加速度gi在向量i方向的系数；2)数值模型的建立：根据LNG储罐结构组成建立储罐数值模型，数值模型包括LNG储罐内罐模型、外罐模型、LNG液体模型、LNG桩基模型、LNG与内罐的流固耦合模型，将各模型之间根据接触情况设置对应的约束关系，其中外罐与桩基之间采用多点约束、内外罐之间采用垂直面向约束、LNG与内罐之间采用界面耦合；3)模态分析：采用减缩法对数值模型进行模态分析，获得各阶模态的固有频率值、阻尼比和模态振型；4)响应谱分析：输入不同阻尼比对应的地震加速度谱，将步骤3)中获得的模态分析结果与输入的地震加速度谱相结合，根据模态分析得到的各阶模态的固有频率值自动检测加速度谱值，然后利用该加速度谱值计算各阶模态的固有频率值所对应的地震响应，最后采用模态组合方法计算整个频率范围内的地震响应结果，该地震响应结果存入结果数据库中；5)响应谱分析结果的提取：从响应谱分析输出的结果数据库中提取地震位移响应结果，通过地震响应位移结果中的竖向位移结果确定晃荡波高；6)确定LNG储罐地震激励下晃荡波高计算公式：dmax＝1300CSag tanh(3.68H/D)/g；式中，dmax为晃荡波高，ag为场地地表峰值加速度，H为LNG液位高度，D为内罐直径，g为重力加速度，CS为与场地类别有关的系数，场地类别依据欧标EN1998‑4:2006确定；7)LNG储罐内罐高度的确定：根据储罐参数以及运行基准地震和安全停运地震的条件，通过上述公式分别确定运行基准地震、安全停运地震下的晃荡波高dmax‑OBE和dmax‑SSE，根据规范API625的要求，内罐设计高度取以下三个数据中的最大值：①最大设计液位+300mm；②最大操作液位+dmax‑OBE+300mm；③最大操作液位+dmax‑SSE。...

【技术特征摘要】
1.一种LNG储罐的内罐高度设计方法，包括以下步骤：1)设置含有液体的圆柱容器，利用有限元软件将液体离散成细小的六面体单元，对该六面体单元赋予LNG材料属性，并在其表面设置一种刚度为KS的弹簧模拟液体自由表面效应，通过液体的运动方程确定弹簧刚度KS为：Ks＝ρAF(Cxgx+Cygy+Czgz)式中，ρ为液体密度，AF为液体表面面积，(x,y,z)是以圆柱容器内的液体表面中心为原点的空间直角坐标，gi(i＝x,y,z)为LNG液体运动时i方向的加速度，Ci(i＝x,y,z)为加速度gi在向量i方向的系数；2)数值模型的建立：根据LNG储罐结构组成建立储罐数值模型，数值模型包括LNG储罐内罐模型、外罐模型、LNG液体模型、LNG桩基模型和LNG与内罐的流固耦合模型，将各模型之间根据接触情况设置对应的约束关系，其中外罐与桩基之间采用多点约束、内外罐之间采用垂直面向约束、LNG与内罐之间采用界面耦合；3)模态分析：采用减缩法对数值模型进行模态分析，获得各阶模态的固有频率值、阻尼比和模态振型；4)响应谱分析：输入不同阻尼比对应的地震加速度谱，将步骤3)中获得的模态分析结果与输入的地震加速度谱相结合，根据模态分析得到的各阶模态的固有频率值自动检测加速度谱值，然后利用该加速度谱值计算各阶模态的固有频率值所对应的地震响应，最后采用模态组合方法计算整个频率范围内的地震响应结果，该地震响应结果存入结果数据库中；5)响应谱分析结果的提取：从响应谱分析输出的结果数据库中提取地震位移响应结果，通过地震响应位移结果中的竖向位移结果确定晃荡波高；6)确定LNG储罐地震激励下晃荡波高计算公式：dmax＝1300CSagtanh(3.68H/D)/g；式中，dmax为晃荡波高，ag为场地地表峰值加速度，H为LNG液位高度，D为内罐直径，g为重力加速度，CS为与场地类别有关的系数，场地类别依据欧标EN1998-4:2006确定；7)LNG储罐内罐高度的确定：根据储罐参数以及运行基准地震和安全停运地震的条件，通过上述公式分别确定运行基准地震、安全停运地震下的晃荡波高dmax-OBE和dmax-SSE，根据规范API625的要求，内罐设计高度取以下三个数据中的最大值：①最大设计液位+30...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈团海，张超，扬帆，彭延建，李牧，
申请(专利权)人：中国海洋石油总公司，中海石油气电集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京;11