一种降低LNG储罐热角保护系统计算成本的方法技术方案

本发明专利技术涉及一种降低LNG储罐热角保护系统计算成本的方法，步骤为：构建几何模型；在材料属性里面设定材料的密度、弹性模量、泊松比、材料膨胀系数；定义边界条件；定义荷载；确定工况，包括未泄露工况、小泄露工况、中泄露工况、全泄露工况、全泄露+SSEaft地震组合工况；根据不同的工况对LNG储罐热角保护系统进行计算；计算结果分析，包括在各工况下，不同荷载作用引起的TCP结构的应力分析，以二层底、二层底环板和热角保护壁板三部分的应力分析为主，若LNG储罐TCP各部分受到的最大Tresca应力小于次应力极限，则LNG储罐TCP的设计符合标准。本发明专利技术有效地降低了LNG储罐热角保护系统计算成本，能广泛应用于LNG储罐热角保护系统的计算中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种降低液化天然气(LNG)计算成本的方法，特别是关于一种降低LNG储罐TCP(热角保护系统)计算成本的方法。
技术介绍
天然气在常压下，冷却至-162℃，形成液化天然气，液化天然气的密度约为450kg/m3，体积约为气态时的1/600，有利于输送和存储。LNG储罐是存储LNG的主要设备，可分为单容罐、双容罐、全容罐和薄膜罐。目前应用最多最广泛的是全容罐，全容罐一般由以下部分组成：桩基础、承台、外罐壁、罐顶、内罐，以及保冷材料等。内罐材料为9％Ni钢，桩、承台、罐顶材料为钢筋混凝土，外罐壁材料为预应力钢筋混凝土，保冷材料主要为泡沫玻璃、膨胀珍珠岩和玻璃棉。在正常情况下，内罐与外罐之间的膨胀珍珠岩具有良好的隔热性能，所以温差荷载对外罐的影响有限，但在特殊工况下，如充注过量、地震引起液体晃动、内罐局部破损等，LNG有可能从内罐溢出，此时LNG在内压作用下会渗入到隔热层，接触外罐从而产生很大的温度应力，使外罐受损。TCP就是为了在内罐发生泄漏时，阻隔LNG，从而保护外罐不会在温度荷载作用下引起破坏，并限制其裂缝的开展。因此，TCP的合理设计计算对外罐的安全有着重大的意义。由于TCP结构的复杂性，目前，对于TCP的计算，多基于数值模拟，计算工况包括泄露工况、地震工况、泄露与地震组合工况等。TCP的建模复杂、工况多样，是储罐受力分析计算的难点之一，尤其是地震工况的计算，如果不进行适当的简化，动力计算的计算成本相当庞大，因此，适当的简化计算对于TCP的设计来说是非常必要的。
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降低LNG储罐TCP计算成本的方法。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种降低LNG储罐TCP计算成本的方法，包括以下步骤：1)几何模型构建：将LNG储罐中的内罐底板、混凝土垫层、二层底、二层底环板、热角保护壁板、混凝土环梁、泡沫玻璃砖七部分以过罐底中心的垂线为轴，按3°～6°的角度范围切出扇形结构构建几何模型，几何模型的竖直高度与热角保护系统的竖直高度相同；再将所构建几何模型划分为六面体实体单元的有限元模型；2)定义材料属性：材料包括9Ni钢、钢筋混凝土、泡沫玻璃砖、膨胀珍珠岩等，在材料属性里面设定材料的密度、弹性模量、泊松比、材料膨胀系数；3)定义边界条件：边界条件包括泡沫玻璃砖底部边界、热角保护壁板边界、切出边界；将泡沫玻璃砖底部边界设定为固接、热角保护壁板边界设置为约束水平位移、切出边界设置为约束环向水平位移；4)定义荷载：荷载包括结构自重荷载、液体静荷载、环形空间液体静压力、地震作用引起的液体晃动荷载、温度荷载、珍珠岩压力荷载；自重荷载以体荷载的形式施加到模型上；液体静荷载、环形空间液体静压力荷载、地震作用引起的液体晃动荷载和珍珠岩压力荷载以面荷载的形式施加到模型上；温度荷载以计算前和计算时的温度差值施加到各部件表面，结合初始设定的材料膨胀系数，计算出温度应力；地震响应引起的液体晃动荷载以面荷载的形式施加到模型上；5)工况确定：工况包括未泄露工况、小泄露工况、中泄露工况、全泄露工况和全泄露+安全停运地震余震组合工况，其中，未泄露工况又分为运行基准地震工况和安全停运地震工况；不同工况下的LNG储罐的液位高度、荷载数值以及各部位的温度场不同；6)按不同工况进行计算：根据不同的工况对LNG储罐热角保护系统进行计算，其中全泄露+SSEaft地震组合工况、运行基准地震工况和安全停运地震工况下热角保护系统的计算方法如下：全泄露+SSEaft地震组合工况、运行基准地震工况和安全停运地震工况下LNG对内罐底部动压力取为LNG对内罐底板的动压力pLNG，包括LNG水平冲击作用引起的底板荷载pi和竖向冲击作用引起的底板荷载pv，其中LNG水平冲击作用引起的底板荷载pi沿径向呈线性变化，LNG竖向冲击作用引起的底板荷载pv呈均匀分布，LNG对内罐底板的动压力pLNG表达式为：pLNG＝pi+pv；7)计算结果分析：对各种工况下不同荷载作用引起的TCP结构的应力进行分析，并根据相关规范提供的校核标准进行校核判定，若LNG储罐TCP各部分的最大Tresca应力小于次应力极限，则LNG储罐TCP符合标准；否则，LNG储罐TCP不符合标准。所述步骤6)中，LNG对内罐底板的动压力pLNG表达式pLNG＝pi+pv的计算过程如下：通过测量获得内罐半径R，LNG液面高度H，以储罐罐底中心为圆心的柱坐标(r,z,θ)，然后分别计算LNG水平冲击作用引起的底板荷载pi，竖向冲击作用引起的底板荷载pv；其中：LNG水平冲击作用引起的底板荷载pi为：式中，ρ为LNG液体密度，Ag(t)为t时刻的水平向地震加速度峰值，为冲击系数：式中，n为0到∞的整数，vn为n的函数： v n = 2 n + 1 2 π ; ]]>γ为LNG液面高度H与内罐半径R的比值：γ＝H/R；ξ为计算点的径向坐标r与内罐半径R的比值：ξ＝r/R；为计算点的竖向坐标z与LNG液面高度H的比值：I1为修正贝塞尔1阶函数： I 1 ( v n γ ξ ) = I 1 ( 2 n + 1 2 π r H ) ; ]]>而I1′为修正贝塞尔1阶函数的导数： I 1 ′ ( v n / γ 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种降低LNG储罐热角保护系统计算成本的方法，包括以下步骤：1)几何模型构建：将LNG储罐中的内罐底板、混凝土垫层、二层底、二层底环板、热角保护壁板、混凝土环梁、泡沫玻璃砖七部分以过罐底中心的垂线为轴，按3°～6°的角度范围切出扇形结构构建几何模型，几何模型的竖直高度与热角保护系统的竖直高度相同；再将所构建几何模型划分为六面体实体单元的有限元模型；2)定义材料属性：材料包括9Ni钢、钢筋混凝土、泡沫玻璃砖、膨胀珍珠岩等，在材料属性里面设定材料的密度、弹性模量、泊松比、材料膨胀系数；3)定义边界条件：边界条件包括泡沫玻璃砖底部边界、热角保护壁板边界、切出边界；将泡沫玻璃砖底部边界设定为固接、热角保护壁板边界设置为约束水平位移、切出边界设置为约束环向水平位移；4)定义荷载：荷载包括结构自重荷载、液体静荷载、环形空间液体静压力、地震作用引起的液体晃动荷载、温度荷载、珍珠岩压力荷载；自重荷载以体荷载的形式施加到模型上；液体静荷载、环形空间液体静压力荷载、地震作用引起的液体晃动荷载和珍珠岩压力荷载以面荷载的形式施加到模型上；温度荷载以计算前和计算时的温度差值施加到各部件表面，结合初始设定的材料膨胀系数，计算出温度应力；地震响应引起的液体晃动荷载以面荷载的形式施加到模型上；5)工况确定：工况包括未泄露工况、小泄露工况、中泄露工况、全泄露工况和全泄露+安全停运地震余震组合工况，其中，未泄露工况又分为运行基准地震工况和安全停运地震工况；不同工况下的LNG储罐的液位高度、荷载数值以及各部位的温度场不同；6)按不同工况进行计算：根据不同的工况对LNG储罐热角保护系统进行计算，其中全泄露+SSEaft地震组合工况、运行基准地震工况和安全停运地震工况下热角保护系统的计算方法如下：全泄露+SSEaft地震组合工况、运行基准地震工况和安全停运地震工况下LNG对内罐底部动压力取为LNG对内罐底板的动压力pLNG，包括LNG水平冲击作用引起的底板荷载pi和竖向冲击作用引起的底板荷载pv，其中LNG水平冲击作用引起的底板荷载pi沿径向呈线性变化，LNG竖向冲击作用引起的底板荷载pv呈均匀分布，LNG对内罐底板的动压力pLNG表达式为：pLNG＝pi+pv；7)计算结果分析：对各种工况下不同荷载作用引起的TCP结构的应力进行分析，并根据相关规范提供的校核标准进行校核判定，若LNG储罐TCP各部分的最大Tresca应力小于次应力极限，则LNG储罐TCP符合标准；否则，LNG储罐TCP不符合标准。...

【技术特征摘要】
1.一种降低LNG储罐热角保护系统计算成本的方法，包括以下步骤：
1)几何模型构建：将LNG储罐中的内罐底板、混凝土垫层、二层底、二层底
环板、热角保护壁板、混凝土环梁、泡沫玻璃砖七部分以过罐底中心的垂线为轴，
按3°～6°的角度范围切出扇形结构构建几何模型，几何模型的竖直高度与热角
保护系统的竖直高度相同；再将所构建几何模型划分为六面体实体单元的有限元
模型；
2)定义材料属性：材料包括9Ni钢、钢筋混凝土、泡沫玻璃砖、膨胀珍珠岩
等，在材料属性里面设定材料的密度、弹性模量、泊松比、材料膨胀系数；
3)定义边界条件：边界条件包括泡沫玻璃砖底部边界、热角保护壁板边界、
切出边界；将泡沫玻璃砖底部边界设定为固接、热角保护壁板边界设置为约束水
平位移、切出边界设置为约束环向水平位移；
4)定义荷载：荷载包括结构自重荷载、液体静荷载、环形空间液体静压力、
地震作用引起的液体晃动荷载、温度荷载、珍珠岩压力荷载；自重荷载以体荷载
的形式施加到模型上；液体静荷载、环形空间液体静压力荷载、地震作用引起的
液体晃动荷载和珍珠岩压力荷载以面荷载的形式施加到模型上；温度荷载以计算
前和计算时的温度差值施加到各部件表面，结合初始设定的材料膨胀系数，计算
出温度应力；地震响应引起的液体晃动荷载以面荷载的形式施加到模型上；
5)工况确定：工况包括未泄露工况、小泄露工况、中泄露工况、全泄露工况
和全泄露+安全停运地震余震组合工况，其中，未泄露工况又分为运行基准地震工
况和安全停运地震工况；不同工况下的LNG储罐的液位高度、荷载数值以及各部
位的温度场不同；
6)按不同工况进行计算：根据不同的工况对LNG储罐热角保护系统进行计算，
其中全泄露+SSEaft地震组合工况、运行基准地震工况和安全停运地震工况下热角
保护系统的计算方法如下：
全泄露+SSEaft地震组合工况、运行基准地震工况和安全停运地震工况下LNG
对内罐底部动压力取为LNG对内罐底板的动压力pLNG，包括LNG水平冲击作用引起
的底板荷载pi和竖向冲击作用引起的底板荷载pv，其中LNG水平冲击作用引起的
底板荷载pi沿径向呈线性变化，LNG竖向冲击作用引起的底板荷载pv呈均匀分布，
LNG对内罐底板的动压力pLNG表达式为：
pLNG＝pi+pv；
7)计算结果分析：对各种工况下不同荷载作用引起的TCP结构的应力进行分

\t析，并根据相关规范提供的校核标准进行校核判定，若LNG储罐TCP各部分的最
大Tresca应力小于次应力极限，则LNG储罐TCP符合标准；否则，LNG储罐TCP
不符合标准。
2.如权利要求1所述的一种降低LNG储罐热角保护系统计算成本的方法，其
特征在于：所述步骤6)中，LNG对内罐底板的动压力pLNG表达式pLNG＝pi+pv的计算过程如下：
通过测量获得内罐半径R，LNG液面高度H，以储罐罐底中心为圆心的柱坐
标(r,z,θ)，然后分别计算LNG水平冲击作用引起的底板荷载pi，竖向冲击作用
引起的底板荷载pv；其中：
LNG水平冲击作用引起的底板荷载pi为：
式中，ρ为LNG液体密度，Ag(t)为t时刻的水平向地震加速度峰值，为冲击系数：
式中，n为0到∞的整数，vn为n的函数：
v n = 2 n + 1 2 π ; ]]>γ为LNG液面高度H与内罐半径R的比值：
γ＝H/R；
ξ为计算点的径向坐标r与内罐半径R的比值：
ξ＝r/R；
为计算点的竖向坐标z与LNG液面高度H的比值：
I1为修正贝塞尔1阶函数：
I 1 ( v n γ ξ ) = I 1 ( 2 n + 1 2 π r H ) ; ]]>而I′1为修正贝塞尔1阶函数的导数：
I 1 ′ ( v n / γ ) = dI 1 ( v ...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖立，毕晓星，张超，陈团海，陈锐莹，黄欢，张博超，
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