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    大型液化天然气储罐内罐寿命计算分析.pdf

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    大型液化天然气储罐内罐寿命计算分析.pdf

    第43卷第6期 2014年11月 石油化工设备 PETR一CHEMICAL EQUIPMENT Vo1.43 NO.6 NOV.2014 文章编号10007466201406004604 大型液化天然气储罐内罐寿命计算分析 扬 帆 ,付春艳。,张 超 ,陈团海 1.中海石油气电集团有限责任公司,北京 100027; 2.中国国际工程咨询公司,北京100O48 摘要大型液化天然气LNG全容罐是LNG接收站项目中最重要的设备之一,在LNG低液位与 高液位循环操作期间卸船周期内、大修时空液阶段、水压试验与试验水排空等循环使用中,受低 温收缩、液位变化等影响,内罐壁一底连接大角焊接接头、壁板、锚固带等危险部位会产生材料使用 疲劳,若按LNG储罐50 a设计寿命考虑,需对内罐易疲劳关键部位进行材料疲劳校核分析。以国 内某已建LNG储罐为例,针对储罐在预冷、水压试验、低一高液位循环使用等工况,对内罐底部大角 焊接接头、罐壁板、锚固带等部位材料进行了材料疲劳失效风险分析,对内罐50 a设计寿命进行了 校核分析。 关键词液化天然气储罐;内罐;设计使用寿命;材料疲劳;计算分析 中图分类号TE972;TQ053.2 文献标志码A doi10.3969_,,..issn.1000~7466.2014.06.012 Calculation Analysis on Inner Tank Design Life of Large Liquefied Natural Gas Tank YANG Fan ,FU Chunyah ,ZHANG Chao ,CHEN Tuan。hai 1.CNOOC GasPower Group Co.Ltd.,Beijing 100027,China 2.China International Engnineering Consulting Corporation,Beijing 100048。China AbstractLarge liquefied natural gasLNGfull containment tank is one of the most imDortant equipments in LNG terminal proj ect.During the inner tank operating from high operating level to low operating levelunloading cycle,overhaul phase with no liquid,hydrostatic testing and emptying test water recycling operating conditions,as cryogenic shrinkage and liquid level chan ges,there is a large material fatigue damage in the inner tank shell and floor i unction fillet weids, shell,anchor strap etc.If consider in the 50 years design life of LNG tank,it need checking the fatigue failure analysis for the key parts.Using the parameters of one buih tank in domestic LNG proj ects,an analysis was made for the material fatigue of the inner tank shell and floor j unction fillet welds,shell,anchor strap in commissioning,hydrostatic testing,1ow and high level recy cling operating conditions.At last,the 50 years design life of LNG inner tank was checked. Key wordsliquefied natural gas tank; inner tank;design life; materia1 fatigue; calculation a nalysis 大型液化天然气LNG储罐是LNG接收站中 的重要设备之一。国内某在建LNG项目中的储罐 为全容罐图1,单罐储存净体积16万Ffls。 该LNG储罐外罐由钢筋混凝土承台、后张拉 式预应力混凝土罐壁、钢筋混凝土罐顶组成,罐底 承台与罐壁、罐壁与罐顶均采用刚性连接。外罐 收稿日期201406 08 作者简介扬 G1985一,男,湖北宜昌人,工程师,硕士,现主要从事LNG项目建设和技术研发工作。 第6期 扬 帆,等大型液化天然气储罐内罐寿命计算分析 壁高39.0 m、内径82.0 rn、外径83.4 m。外罐拱 顶最高高度50.382 m、拱顶中心厚度为0.4 m。 承台厚度为1.0 m,承台外径89.10 ITI,承台离地 面1.5 rfl。储罐基础为高架空桩基础结构,每个罐 376根桩,桩径1.5 m。内、外罐环状空间和悬挂 内吊顶采用绝热材料进行保冷l】]。内罐处于2O。C 到一165℃如预冷工况环境,内罐直径收缩量约 为16 cmⅢ,罐壁所受液压大小随LNG液位高度 变化而变化_l2]。 璃 内罐 、铝吊顶 弹性毡 膨胀珍珠岩LNG 热角保护系统 弹性毡 混凝土承台 混凝土外罐 二层底 图1某在建大型LNG全容储罐结构示图 在LNG高液位与低液位的循环过程中,内罐 以及相连部位会有疲劳失效的危险,典型的易疲劳 部位出现在内罐加强圈、内罐壁一底部连接处大角焊 接接头、锚固带与内罐壁焊接点以及热角保护系统 等处口]。从储罐安全运行的角度来考虑,需要对上 述易疲劳部位进行寿命校核,以满足储罐设计寿命 50 a的要求。 1 内罐底部大角焊接接头疲劳寿命校核 1.1 疲劳分析 内罐壁板与底板连接处大角焊接接头及安装尺 寸见图2和图3。 在水压试验与排水工况、LNG高液位与低液位 之间循环使用时,T型焊接接头图2中趾点a、b、C、 d点应力变化较大,带来材料本身使用疲劳。要保 证内罐50 a设计寿命,需要对此T型焊接接头进行 寿命校核。 \ 7 “\ \ . 图2 LNG储罐T型大角焊接接头简图 b ... 、 壁板 占 { .. 4 \ t 。 _ \ \ .R 40085 -叶 \ 彩『芷搞 图3 T型大角焊接接头安装尺寸图 1.2 应力循环变化分析 内罐高36.1 m,最下圈壁板厚26 mm,环形底 板厚18 mm,最高正常操作液位为34.36 m,最低正 常操作液位为2.4 rn,充装循环周期卸船周期为 6 d,50 a的高一低液位循环次数为3 043次,水压试 验1次。 采用有限元软件Ansys建立内罐轴对称壳单 元模型,分别对低一高液位运行工况和水压试验工况 进行模拟计算,得到T型焊接接头危险趾部各点应 力值与趾部各点应力变化量循环变化应力,具体 计算结果见表1。表中正值表示拉应力,负号表示 压应力。 1.3疲劳寿命计算 文献E4]附录C对金属材料疲劳分析和寿命计 算理论进行了介绍,应力变化范围内的最大循环次 数N的计算公式如下 NA/S 1 式中,5 为最大应力循环变化范围,MPa;N为最大 许用循环次数,N不大于107次;A、 为常数,取值 分类见文献[4]表c.1。 表1 图2中焊接接头趾部各点应力分布 MPa 工况 第一主应力 第二主应力 Ⅱ D C 341 318 8 2 l2 1 338 305 7 431 403 10 1l O 11 1O 一1 7 0 17 16 d 一87 3 84 94 最高操作液位 最低操作液位 应力循环幅度 水压试验 48 石油化工设备 2014年第43卷 按照文献[4]附录C.3.4.3.2,内罐大角焊接接 头归为E类接头。对于E类接头,当N50 a,满足设计要求。 2 内罐壁板、锚固带疲劳寿命校核 2.1 疲劳工况分析 该LNG储罐锚固带截面尺寸为200 ITlm x 16 mm,共154根,沿内罐外边缘均匀布置。在低一 高操作液位壁板与锚固带连接处位移径向变化、预 冷等工况作用影响下,壁板、与壁相连的锚固带不断 处于张拉、收缩状态,或处于收缩应力大小变化状 态,各循环过程中内罐壁板、锚固带材料本身产生疲 劳,不同工况下壁板和锚固带低温收缩量、变形位移 等有所不同,见图4。 fa高操作液位、地震工况 b预冷工况 水压试验 图4 内罐壁板一锚固带连接处各工况下收缩变形量 在高操作液位工况下,内罐一165℃时的半径 在SSEE地震工况5 000 a一遇地震下 , 收缩量为80 mm,而由液压作用向外的膨胀量为 内罐一165℃时的半径收缩量为80 mm,由液压 一52 mm,罐壁一锚固带连接点实际变形28 mm 作用向外膨胀量为一52 mm,罐壁一锚固带连接点实 表示收缩方向为径向,一表示与径向相反,向外 际变形28 mm,每根锚固带竖向拔力913 kN。内 膨胀,下同。 罐泄漏时,LNG泄漏进入环形空间,所有工况下锚 预冷工况下内罐低温径向收缩量80 mm,由 固带温度即为LNG温度一165。C,故不单独分析此 液压作用向外膨胀量0 mm,罐壁一锚固带连接点实 荷载工况。 际变形80 ITlm。最低正常操作液位时,液位相对 较低液位2.4 m,壁板液压作用相对膨胀量较小, 收缩量近似认为与预冷工况相同。 在水压试验工况下,内罐由液压作用向外的膨 胀量为一68 1Tlrfl,罐壁一锚固带连接点实际变形量为 一68 mm。 在OBE地震工况下475 a一遇地震[5-8],内罐 一165℃时的半径收缩量十80 mill,由液压作用向 外膨胀量一52 mm,罐壁一锚固带连接点实际变形 28 I13.111,每根锚固带竖向拔力413 kN。 2.2疲劳寿命计算 2.2.1 内罐壁板 采用有限元软件Ansys建立轴对称罐壁模型 进行低一高液位运行工况和水压试验工况力学分析, 结果分别见表2、表3。 表2罐壁最大液压膨胀位移点处受力及偏移 第6期 扬帆,等大型液化天然气储罐内罐寿命计算分析 49 表3壁板底部最大液压膨胀位移点处 应力分布 MPa 由式1计算得到高一低液位循环间许用循环次 数N。一5 786次,按照6 d卸船一次的频率,罐壁疲 劳寿命为N。/365/6一95.1 a,大于5O a的设计寿 命,满足设计要求。 2.2.2 锚固带 锚固带的上端搭焊在内罐壁上,而下端则穿过 储罐罐底绝热层埋入到}昆凝土承台中,用来克服地 震作用下内罐可能发生的抬升,起到保护内罐稳定 的作用 。 。设计寿命或使用寿命内经历一次OBE 或者SSE地震,常规设计中已经进行了校核,此处 不再计算。 参考文献E4]附录c,计算得到高一低液位循环 间锚固带许用循环次数N。一5 178次,按6 d卸船 一次的频率,罐壁疲劳寿命为N。/365/6一84 大于50 a的设计寿命,满足设计要求。 3 结语 a, 大型LNG储罐内罐在高一低液位循环操作、水 压试验与试验水排空循环工况等过程中,会对内罐 相连部位带来疲劳失效危险[1 。以国内某已建 LNG储罐内罐参数为例,对内罐易疲劳关键部位 壁板、锚固带、T型大角焊接接头进行了材料疲劳 寿命校核分析,得出内罐体各疲劳危险部件满足设 计寿命50 a的要求。 参考文献 [1]扬帆,张超,邓青.大型LNG储罐内罐稳定性设计方案 比选I-J].油气储运,2012,12113739,94. 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