（安全技术及工程专业论文）大型LNG储罐拱顶结构应力分析.pdf

s t r e s sa n a l y s i so fa r c hs t r u c t u r eo f l a r g el n gs t o r a g e t a n k b y d o u w e n j i a o b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c l m o l o 蹦 s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc h e ns h u p i n g j u n 2 0 1l 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者繇i 主畸魄训年么川日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： ；婿 饷 j 日期：2 1 0 i 年么月房e 1 日期：弘1 1 年月侈日 面前0 t l j 0 、 硕士学位论文 目录 摘j 暮i a b s u a c t 】 i 插图索引 附表索引v i 第1 章绪论1 1 1l n g 性质概述1 1 2 国内外l n g 工业发展状况2 1 2 1 国外l n g 工业发展状况2 1 2 2 国内l n g 工业发展状况3 1 3l n g 储罐发展状况4 1 3 1 国外l n g 储罐发展状况4 1 3 2 国内l n g 储罐发展状况5 1 4 大型l n g 储罐概述。6 1 4 1l n g 储罐的分类6 1 4 2 大型l n g 储罐7 1 4 3 大型l n g 储罐拱顶形式8 1 5 国内大型l n g 储罐拱顶结构技术研究现状9 1 6 本文所分析的大型l n g 储罐的实际工程背景一9 1 7 本文研究工作一10 1 7 1 研究内容1 0 1 7 2 研究方法1 0 1 7 3 研究意义1 1 第2 章大型l n g 储罐拱顶应力分析理论基础一1 2 2 1 概述1 2 2 2 应力分析方法简介1 2 2 3 有限元法概述l3 2 3 1 有限元法的发展概况13 2 3 2 有限元法的基本原理1 4 2 3 3 有限元分析的力学与数学基础14 2 3 4 有限元分析的五个假定条件15 2 3 5 位移、变形及力的三大变量之间的关系15 2 3 6 两类边界条件1 6 2 3 7 三维空间有限元分析基本步骤16 硕士学位论文 2 4 有限元法在储罐拱顶结构分析中的应用18 第3 章m i d a sg e n 有限元软件简介一2 0 3 1m d a sg e n 软件概述2 0 3 2m i d a sg e n 技术特点2 0 3 - 3m m i a sg e n 主要功能2 1 3 4m i d a sg e n 静力学分析简介2 2 3 5m i d a sg e n 反应谱和屈曲分析简介2 3 第4 章大型l n g 储罐拱顶有限元应力分析一2 5 4 1 模型参数及建模一2 5 4 2 拱顶结构单元模型的简化及材料简介一2 8 4 2 1 拱顶结构单元模型的简化2 8 4 2 2 模型中所有材料简介2 8 4 3 整体及局部的有限元模型一2 8 4 4 拱顶结构荷载计算一2 9 4 4 1 拱项结构的荷载和作用2 9 4 4 2 拱顶结构的荷载选取和荷载效应组合3 0 4 4 3 拱项结构强度和稳定性验算原理31 4 5 各种工况下的应力分析3 2 4 5 1 工况1 作用下应力分析3 3 4 5 2 工况2 作用下应力分析3 4 4 5 - 3 工况3 作用下应力分析3 4 4 5 4 工况4 作用下应力分析3 6 4 5 5 工况5 作用下应力分析3 7 4 6 拱顶结构反应谱分析一4 l 4 7 拱顶结构屈曲分析一4 5 第5 章结论与展望4 9 参考文献5 0 致 射5 3 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 4 i 硕士学位论文 摘要 天然气作为一种清洁、高效的能源，倍受世界各国的青睐。液化天然气( l n g ) 为 天然气的长距离输送、储存等各方面提供了有利条件。l n g 的生产、贸易已经成为影响 世界天然气供需格局的一个关键因素。随着世界l n g 工业迅速发展，我国l n g 产业链的 各个环节得到了很大的发展，并在沿海建设l n g 接收站，用来接收从国外引进的l n g 。 l n g 储罐是l n g 接收站的主要设备，储罐的正常运行是整个l n g 接收站保持正常运转的 关键。因此，发展大型化的l n g 低温储罐是解决l n g 行业发展的首要问题。随着储罐大 型化的发展，给设计、制造和使用方面提出了一系列新的问题，尤其是储罐直径增大后， 罐顶网架结构的变形、强度和稳定性的复杂计算，正引起人们的关注。本文的目的就是 研究大型l n g 储罐的拱顶结构在不同荷载组合五种工况下正常运行时，拱顶结构的变形 和应力情况的模拟分析，并在强度和稳定性方面必须满足规范要求。 本文首先介绍了l n g 的性质和国内外l n g 工业发展状况，引出了国内外大型l n g 储罐的发展现状，详细介绍了l n g 储罐及其拱顶结构的形式，同时介绍了l n g 储罐拱项 结构技术研究现状；然后介绍了有限元法和m i d a sg e n 软件在拱顶结构分析计算中的应 用；最后以6 0 0 0 m 3 的l n g 储罐的拱顶结构作为研究对象，运用m i d a sg e n 软件，在恒、 活荷载、风荷载、雪荷载及地震作用等不同荷载组合的五种工况作用下拱顶结构的变形 和应力，进行了模拟分析。为了提高结构整体的稳定安全系数，还进行了屈曲分析。为 了验证结构整体的抗震性能，对结构进行了振型分解反应谱分析。并在此基础上，根据 g b s 0 0 1 7 2 0 0 3 钢结构设计规范运用软件进行钢结构验算，同时对拱顶结构的强度和 稳定性进行了校核。结果表明，储罐拱顶结构设计的强度和稳定性完全符合设计规范要 求。 关键词： l n g ；大型储罐；拱顶；有限元；应力分析；反应谱分析；屈曲分析 硕士学位论文 a b s t r a c t a sac l e a na n de f f i c i e n te n e r g y ，n a t u r a lg a s ( n g ) i sm o r ef a v o u ri n m a n yc o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l d l i q u e f i e dn a t u r a lg a s ( l n g ) p r o v i d e s s o m ea d v a n t a g e sf o rl o n gd i s t a n c et r a n s p o r t a t i o n ，a n ds t o r a g eo fn a t u r a lg a s t h ep r o d u c t i o na n dt r a d eo fl n gh a sb e c o m eak e yf a c t o rt h a ti n f l u e n c e s t h ep a t t e r no fs u p p l ya n dd e m a n do fn a t u r a lg a si nt h ew o r l d a st h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h ew o r l dl n gi n d u s t r y ，e a c ht a c h eo fl n gi n d u s t r yc h a i n g o tm u c hg r e a tp r o g r e s s a n dl n gr e c e i v i n gt e r m i n a l sh a v eb e e nb u i l ti n c o a s tt or e c e i v ei m p o r t e dl n gf r o ma b r o a d l n gt a n ki st h em a i n e q u i p m e n to fl n gt e r m i n a l t h en o r m a lo p e r a t i o no ft h es t o r a g et a n k si s t h ek e yt ok e e pt h ew h o l el n gt e r m i n a la n dt r u n kl i n ew e l l t h e r e f o r e ，t h e d e v e l o p m e n to fl a r g el n gs t o r a g et a n k si sak e yp r o b l e mt ob es o l v e df o r l n gi n d u s t r y a tt h es a m et i m e ，a st h ed e v e l o p m e n to fl a r g es t o r a g et a n k s ， as e r i e so fn e wp r o b l e m sa b o u td e s i g n ，m a n u f a c t u r ea n du s ea r ep u tf o r w a r d e s p e c i a l l yw i t ht h ei n c r e a s eo ft a n kd i a m e t e r ，t h ed e f o r m a t i o n ，s t r e n g t ha n d s t a b i l i t yo fv a u l tg r i ds t r u c t u r ea r ec a u s i n gt h ea t t e n t i o no fp e o p l e t h i s p a p e rm a i n l ys t u d i e d t h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s sc o n d i t i o n so fl a r g el n g s t o r a g ev a u l ts t r u c t u r eu n d e rs i xd i f f e r e n tl o a dc o m b i n a t i o n s ，a n dm a d ea s i m u l a t i o n a n a l y s i s t h es t r e n g t h a n d s t a b i l i t y m u s t s a t i s f y t h e r e q u i r e m e n t so fs p e c i f i c a t i o n f i r s t l y t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h e p r o p e r t i e s a n dt h e d e v e l o p m e n t c o n d i t i o no fl n gi nc h i n aa n da b r o a d ，a sw e l la st h ev a u l ts t r u c t u r eo fl n g t a n k sa n di t sr e s e a r c hs i t u a t i o n s e c o n d l y ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h e a p p l i c a t i o no fm i d a sg e ns o f t w a r ei nt h ev a u l ts t r u c t u r a la n a l y s i sa r ea l s o i n t r o d u c e d f i n a l l y ，t a k i n g6 0 0 0 m l n gs t o r a g et a n kw i t hd o m es t r u c t u r ea s as t u d yo b j e c ta n du s i n go fm i d a sg e ns o f t w a r e ，t h ed e f o r m a t i o na n d s t r e s so f v a u l ts t r u c t u r ea r es i m u l a t e du n d e rf i v ed i f f e r e n tl o a d c o m b i n a t i o n so fs u c hc o n s t a n tl o a d ，l i v el o a d ，w i n dl o a d ，s n o wl o a d ，a n d s e i s m i cl o a d t h eb u c k l i n ga n a l y s i sw a sa l s oc o m p l e t e dt or a i s et h es t a b i l i t y i no r d e rt ov a l i d a t et h ei n t e g r a ls e i s m i c p e r f o r m a n c e ，t h ea n a l y s i s o f r e s p o n s es p e c t r u m w a s a p p l i e d a n d o nt h i s b a s i s ，a c c o r d i n g t o g b 5 0 0 17 2 0 0 3d e s i g no fs t e e ls t r u c t u r e s ，s o f t w a r ew a su s e dt oc h e c ks t e e l s t r u c t u r e ，w h i l et h es t r e n g t ha n ds t a b i l i t yo ft h ev a u l tw a sc h e c k e d t h e 硕士学位论文 a n a l y s i ss h o w st h a tt h es t r e n g t ha n ds t a b i l i t yo ft a n kv a u l tf u l l yc o m p l y w i t ht h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n k e yw o r d s ：l i q u e f i dn a t u r a lg a s ；l a r g es t o r a g et a n k ；v a u l t ；f i n i t ee l e m e n t ； s t r e s sa n a l y s i s ；r e s p o n s es p e c t r u ma n a l y s i s ；b u c k l i n ga n a l y s i s 硕士学位论文 插图索引 图1 1全球l n g 需求量1 图1 22 万m 3 低温l n g 储罐5 图1 3 大型常压l n g 储罐结构示意图8 图i 46 0 0 0 m 3 l n g 储罐1o 图1 56 0 0 0 m 3 l n g 储罐拱顶l0 图4 1l n g 储罐的实体模型2 6 图4 2l n g 储罐拱顶实体模型2 6 图4 3 拱顶网架结构2 7 图4 4 拱顶与外罐壁的连接2 7 图4 5 拱顶与内罐顶的连接2 7 图4 62 6 r a m 厚最外圈的瓜皮板2 7 图4 77 姗厚的瓜皮板2 7 图4 8 储罐整体有限元模型2 9 图4 9 拱顶结构单元有限元模型2 9 图4 1o 荷载组合31 图4 1 1 工况1 作用下拱顶结构最大应力等值变形图3 3 图4 1 2 工况1 作用下拱顶网架最大应力图3 3 图4 1 3 工况2 作用下拱顶网架最大应力图3 4 图4 1 4 工况2 作用下拱顶结构最大应力等值变形图3 4 图4 15 水平方向拱顶网架最大应力图35 图4 1 6 垂直方向拱顶网架最大应力图3 5 图4 17 水平方向拱顶结构最大应力等值变形图36 图4 18 垂直方向拱顶结构最大应力等值变形图36 图4 19i 况4 作用下拱项网架最大应力图：37 图4 2 0 工况4 作用下拱顶结构最大应力等值变形图3 7 图4 21 工况5 作用下拱顶网架最大应力图4 0 图4 2 2 工况5 作用下拱顶结构最大应力等值变形图4 0 图4 2 3 拱顶结构最大组合荷载位移图4l 图4 2 4 水平地震作用下拱顶网架最大应力图4 2 图4 2 5 水平地震作用下拱项结构最大应力等值变形图4 3 硕士学位论文 图4 2 6 反应谱分析自振模态l 4 3 图4 2 7 反应谱分析自振模态2 4 4 图4 2 8 生成地震设计反应谱4 4 图4 2 9 反应谱荷载工况4 5 图4 30 屈曲模态图形结果1 4 6 图4 31 屈曲模态图形结果2 4 6 图4 3 2 屈曲模态图形结果3 4 6 图4 3 3 屈曲模态图形结果4 4 7 图4 3 4 屈曲模态图形结果5 4 7 图4 35 屈曲模态图形结果6 4 7 v 硕士学位论文 - 詈鲁兽詈暑= 昌詈皇喜暑詈墨暑置置毫墨阜量暑m l m f , l ,盲 。 i ! m l 附表索引 表1 1 我国大型低温l n g 储罐建造情况统计表屈曲模态图形结果6 表1 2l n g 储罐的分类6 表4 1 储罐基本参数2 5 表4 2 工字钢验算表38 表4 3 角钢验算表3 9 表4 4 拱顶钢结构演算表m m q i o o 4 1 v i 硕士学位论文 第1 章绪论 天然气是当今世界能源消耗中的重要组成部分，它与煤炭、石油并称为世界能源 的三大支柱。目前天然气在世界能源结构中位居第二位，所占比例已经超过2 4 【l j 。近 年来，随着世界经济的快速发展，世界能源需求量也在日益增长。由于煤和石油所造成 的环境问题日益严重和石油价格的不断上涨，能源结构逐步发生了变化。天然气作为一 种优质、高效、清洁的能源被广泛应用于化工、居民生活、汽车燃气、发电、热泵、燃 料电池等领域。据国际权威机构预测，天然气是2 1 世纪消费量增长最快的能源，占一 次性能源消费的比重将越来越大。预计到2 0 2 0 年前后，天然气将超过石油，成为能源 组成中的第一大能源【2 】。同时天然气是一种洁净的能源，储量非常丰富。但在应用中存 在一个问题是：大的天然气资源大都与能源消费市场相距很远，长距离铺设管道，甚至 越洋气态输送天然气常常要受到成本和技术问题的制约。而液化天然气( 简称g ) 的出现为天然气的长距离输送提供了一种经济、可行的方法。 1 1l n g 性质概述 l n g 是将天然气通过一定的制冷循环，在混合制冷剂的作用下，除去其中的n 2 、 c 0 2 、h 2 0 以及硫化物、固体杂质等，最终得到1 6 2 ( 2 液态形式的天然气。l n g 无色、 无味、无毒且无腐蚀性，是多种物质的混合物，l n g 的主要成份为甲烷，化学名称为 c h 4 ，还有少量的乙烷c 2 战、丙烷c 3 h 8 以及氮n 2 等其他成份组成。天然气液化后可以 大大节约储运空间和成本，而且具有热值大、性能高等特点。因此被人们公认为地球上 最洁净的能源。全球l n g 的需求量逐年增加，据英国c e d i g a z 公司预测，2 0 1 0 年需求 量将高达2 1 6 亿吨年，2 0 2 0 年时达到3 0 - - 3 5 亿吨年，而2 0 0 2 年约1 1 亿吨年1 3 - 5 j 。 详见图1 1 。 l n g 有以下优点： 图1 i 全球l 需求量 硕士学位论文 i ) l n g 体积比同质量的天然气小6 2 5 倍，所以可用汽车轮船很方便地将l n g 运 到没有天然气的地方使用。 2 ) l n g 储存效率高，占地少，投资省，1 0 m 3 l n g 储存量就可供l 万户居民1 天 的生活用气。 3 ) l n g 作为优质的车用燃料，与汽油相比，它具有辛烷值高、抗爆性能好、发动 机寿命长，燃料费用低，环保性能好等优点。它可将汽油汽车尾气中h c 减少7 2 ，n o x 减少3 9 ，c o 减少9 0 ，s o x 、p b 降为零。 4 ) l n g 汽化潜热高，液化过程中的冷量可回收利用。 5 ) l n g 汽化后密度很低，只有空气的一半左右，稍有泄漏立即飞散开来，不致引 起爆炸。 6 ) l n g 组分较纯，燃烧完全，燃烧后生成二氧化碳和水，所以它是很好的清洁燃 料，有利于保护环境，减少城市污染。 纵观以上l n g 的性质及优点，证明l n g 是目前最理想、最切实际和最具前途的 新兴能源。 1 2 国内外l n g 工业发展状况 l n g 是一种清洁、高效的能源。由于进口l n g 有助于能源消费国实现能源供应多 元化、保障能源安全，而出口l n g 有助于天然气生产国有效开发天然气资源、增加外 汇收入、促进国民经济发展，因而l n g 贸易正成为全球能源市场的新热点。随着世界 经济的快速发展，能源问题已经成为一个世界性的话题。由于l n g 具有热值高、环保 性能好和价格低廉等特点，己被越来越多的行业所重视。1 9 4 1 年世界上第一座工业规模 的l n g 液化装置在克利夫兰建成后，世界l n g 技术的问世已跨越了多半个世纪的历史， 近些年来l n g 技术迅猛发展，装置规模逐步加大，并形成了l n g 生产、储存、海上运 输和接收终端再气化供用户使用的完整系统工程，目前各个环节的技术与管理已经日趋 成熟。 液化天然气正以每年约1 2 的高速增长，成为全球增长最迅猛的能源行业之一。近 年来全球l n g 的生产和贸易日趋活跃，l n g 已成为稀缺清洁资源，正在成为世界油气 工业新的热点。为保证能源供应多元化和改善能源消费结构，一些能源消费大国越来越 重视l n g 的引进，日本、韩国、美国、欧洲都在大规模兴建l n g 接收站。国际大石油 公司也纷纷将其新的利润增长点转向l n g 业务，l n g 将成为石油之后下一个全球争夺 的热门能源商品。 1 2 1 国外l n g 工业发展状况 世界天然气液化技术开始于1 9 1 4 年，自世界第一座工业规模的l n g 装置在美国 克利夫兰建成以来，l n g 技术迅速发展，装置规模也在逐步加大。自1 9 5 9 年美国建造 世界上第一座l n g 储罐至今，目前全球已经建成6 5 个l n g 接收站，其中接收站中储 2 硕士学位论文 罐容量超过1 2 万m 3 的超过总数的4 4 ，l n g 接收技术已经变得越来越成熟。1 9 6 4 年 世界上第一座l n g 工厂在阿尔及利亚建成并投入生产，同年第一艘载着l n g 的船驶往 英格兰，标志着世界l n g 贸易的开始。1 9 6 9 年美国的l n g 液化装置在位于阿拉斯加 的肯奈投产，同时开始向日本出口l n g 。1 9 7 0 年l n g 液化工厂在利比亚建成，成为非 洲第一个l n g 生产国，它的目标市场为西班牙等欧洲市场。1 9 7 2 年l n g 液化装置在 文莱建成并投产，作成为亚洲第一个l n g 生产国并向日本出口。 从l n g 供应来看，印度尼西亚、马来西亚、卡塔尔和阿尔及利亚等主要供应国的 供应量占到全球l n g 供应量的5 0 ，而且至少还能供应2 0 年，目前全球4 0 6 的天然 气剩余储量在中东地区。随着l n g 建设规模和成本的变化以及中东地区新建生产线的 陆续投产，l n g 供应中心将由亚太地区逐步转移至中东地区，中东将成为未来l n g 供 应增长最快的地区，并将最终成为未来全球l n g 的供应中心。卡塔尔将成为未来最大 的l n g 出口国，主导着中东地区的l n g 供应，其新增产能主要供应大西洋地区的美国 和欧洲市场。如果目前在建的液化厂项目能按期完工，卡塔尔l n g 的年生产能力在2 0 1 5 年前将达到7 7 0 0 万吨，这差不多是现在最大的l n g 供应国一印度尼西亚年生产能力的 3 倍【5 1 。 目前国际l n g 贸易有两大出口地区一北非地区( 包括近东的一些国家) 和亚太地 区，其中北非地区占1 4 份额，亚太地区是主要的出口地区，占3 4 份额；有三大进口 地区一西欧、北美和亚太地区，其中西欧和北美地区占1 4 份额，亚太地区占3 4 份额。 随着各大l n g 贸易市场迅速增长，中东、东欧和前苏联、非洲和美洲市场，占世界总 份额的比重较大。据国际权威机构预测，2 0 1 1 年前后，天然气在全球能源结构中的份额 将会超过煤炭，并于2 0 2 0 年前后赶超石油，成为能源结构中的第一能源网。 从l n g 需求来看，目前日本仍然是最大的l n g 进口国，占全球l n g 进口量的 4 0 。美国的需求也在迅速增加，美国大部分的进口l n g 用于发电。此外l n g 供应国 国内自身的需求也在快速增加。有数据统计从2 0 1 5 年开始全球l n g 消费量将以1 0 年 率增长。据悉，目前在俄罗斯、也门和印度尼西亚兴建的几家l n g 工厂生产能力合计 约2 4 0 0 万吨，原计划今年下半年投产，但都已推迟到明年以后。日本大藏省的数据显 示，今年上半年日本进口的l n g 达3 4 6 7 万吨，同比增长6 2 。2 0 0 8 年韩国也增加 l n g 进口3 5 ；这些因素都将导致国际市场l n g 供应趋紧。有专家预估，全球l n g 短缺情况将一直持续到2 0 1 3 年r 7 1 1 】。进口l n g 途径有助于能源消费国实现能源供应多 元化和保障能源安全，而出口l n g 途径有助于天然气生产国有效开发天然气资源、增 加外汇收入和促进国民经济发展，因而l n g 贸易正逐渐成为全球能源市场的新热点。 1 2 2 国内e n g 工业发展状况 1 9 7 3 年我国的第一个天然气提氦工厂( 可联产生产l n g ) 在四川建成。与世界 l n g 工业相比，我国的l n g 工业仍处在初级阶段。其在天然气工业中所占的比重微乎 其微，这根本无法满足国民经济对l n g 的需求，也无法适应世界范围内液化天然气工 技术 推进了成为l n g 进口大国的进程。2 0 1 0 年前在东南沿海地区建设年进口上千万吨l n g 的1 0 个进口l n g 接收装置。2 0 1 0 年中国天然气需求为1 1 0 0 亿立方米。预计2 0 1 5 年 中国l n g 进口将超过2 0 0 0 万吨，2 0 2 0 年还会成倍增长。天然气将成为我国在煤和石 油之后的第三大能源。 l n g 以其清洁高效、节能环保、安全可靠、储存效率高等特点为人们所青睐。随 着l n g 行业的快速发展和全球需求量的增加，发展大型化的l n g 低温储罐已经成为的 一种趋势。大型l n g 储罐的储存效率高、占地面积小、投资费用低、便于操作管理、 储存规模易于大型化的优点成为液化天然气接收终端站、天然气液化厂及城市燃气储存 设备的首选。大型l n g 储罐主要采用拱顶平底双圆筒结构，粉末绝热，其储存容积通 常在5 0 0 0m 3 以上，工作压力为3 4 1 7 2k p a 墙- 2 2 1 。储罐的设计建造是l n g 应用的重要 环节，因此，l n g 储罐的研究越来越得到世界各国的重视，在国际上也得到了迅速发 展。 1 3l n f i 储罐发展状况 1 3 1 国外l n g 储罐发展状况 l n g 技术发展史可以追溯到2 0 世纪初期。1 9 1 4 年，美国公布首项l n g 专利，并 建成小型天然气液化工厂。1 9 3 9 年，h o p e 天然气公司在西弗吉利亚建立了一个处理量 为1 0 0 0 m 3 d 的天然气液化工厂，用以研究l n g 远距离运输技术。1 9 4 0 年，俄亥俄天 然气公司在克利夫兰建立了处理量为1 1 3 1 0 5m ? d 天然气工厂，制成3 台直径为 1 7 3 7 m 的l n g 球形储罐。1 9 5 4 年出现了第一台用于液氧的不锈钢双壁绝热平底低温 储槽。1 9 5 8 年美国芝加哥桥梁钢铁公司在路易安那建造了第一座工业规模的l n g 储罐， 容积为5 5 5 0 m 3 。从上世纪5 0 年代到8 0 年代，双壁绝热平底l n g 储罐容积不断扩大： 6 0 年代为( 1 - 3 ) 1 0 4 m 3 ，7 0 年代为( 5 - - 1 0 ) 1 0 4 m 3 ，8 0 年代已超过2 5 x1 0 5 m 3 e 2 3 泓1 。 l n g 应用量亚洲最大，占全球7 8 ，其中日本是世界上建造大型l n g 储罐最多的国家， 应用量占全球6 2 0 4 0 。据2 0 0 8 年的统计数据，日本拥有2 7 座大型l n g 接收终端站，l n g 进口量占全球的4 0 ，居世界首位。目前最大容积已达至i j 2 x 1 0 5m 3 的l n g 储罐，正在横 4 硕士学位论文 滨l n g 厂筹建，这个世界上最大的l n g 储罐将在2 0 1 3 年1 0 月建成投产。 1 3 2 国内l n g 储罐发展状况 国内最早建造大型液化气体储罐始于上世纪九十年代中期，如广东深圳2 台8 万 m 3 液化石油气( l p g ) 低温储罐和扬子石化1 万m 3 低温乙烯储罐。上世纪九十年代末， 上海建造了我国第一台2 万m 3 低温l n g 储罐口5 1 。如图1 2 所示。 图1 22 万鹂1 氐温l n g 储罐 2 0 0 2 - 2 0 0 5 年合肥通用机械研究院等单位承担原国家经贸委国家“十五 重大技 术装备研制项目专题“2x1 0 4m 3 液化天然气储罐研制等课题，着重对9 n i 钢焊接、 无损检测和低温绝热材料及结构、l n g 储存安全等进行了研究。 进入本世纪以来，中海油、中石油、中石化三大集团分别在广东、福建、浙江、 上海、辽宁、山东等沿海省份建立筹划建立大型l n g 接收终端站，其中广东、福建项 目已建成投产，江苏、辽宁项目正在建设中，山东项目尚在前期规划中【2 9 】。上述大型 l n g 接收终端站中大型低温l n g 储罐建造情况见表1 1 。目前，国内大型低温l n g 储罐从材料、设计及施工等方面均已全面实现了国产化，如大连和江苏l n g 项目。国 内尚无关于大型l n g 储罐设计的国家标准，与发达国家相比还存在一定的差距。随着 l n g 工业的发展，我国自主进行大型低温l n g 储罐的设计和建造，具有非常重大的意 义。 5 硕士学位论文 表1 1 我国大型低温l n g 储罐建造情况统计表 储罐数量储罐规格 建设单位 建设地 备注 | 台10 4m 3 广东深圳 4l6 3 台建成，1 台拟建 福建莆田4 162 台建成，2 台拟建 中海油 浙江宁波 4162 台建成，2 台拟建 上海3l6已建成 辽宁大连 216 已建成 中石油 江苏南通 3l6已建成 中石化山东青岛 2l6 拟建 1 4 大型l n g 储罐概述 1 4 1l n g 储罐的分类 l n g 储罐按照不同的类别，分为多种形式，具体分类见表1 2 。 表1 2l n g 储罐的分类 分类方法类型及特点 ( 1 ) 小型( 小于2 0 0 m 3 ) ：常用于民用l n g 汽车加注点、民用及工业燃气液化站 等。 ( 2 ) 中型( 2 0 0 - - - 5 0 0 0 m 3 ) ：多用于工业燃气液化站。 按容积分类 ( 3 ) 大型( 1 0 0 0 - 一1 0 0 0 0 m 3 ) ：适用于中小型l n g 生产装置。 ( 4 ) 较大型( 1 0 0 0 0 - - - 5 0 0 0 0 m 3 ) ：用于基本负荷型和调峰型液化装置。 ( 5 ) 特大型( 大于s o o o o m 3 ) ：适用l n g 接收站。 注：大型低温l n g 储罐一般是指容积在5 0 0 0 m 3 以上的储罐。 ( 1 ) 球形：一般多用于中、小容量储罐。 按形状分类 ( 2 ) 圆柱形：在各种容量的储罐中都有采用。 按放置部位分 ( 1 ) 地上型：位于地上。 类 ( 2 ) 地下型：位于地下。 按建造材料分 ( 1 ) 双金属型：内外罐均采用金属，内罐采用铝合金或不锈钢，外壳采用容器用钢。 ( 2 ) 薄膜型：该类储罐内筒由厚0 8 - - 1 2 n u n 的3 6 n i 的钢制造。 类 ( 3 ) 预应力混凝土型：内筒采用耐低温金属材料建造，外罐采用预应力混凝土建造。 ( o , - r 式子母型：由为( 3 7 ) 只子罐并列组装于大型外罐( 又称母罐) 中，满足 储存大容量储液的要求。子罐通常为立式圆筒行，每只子罐容积( 1 0 0 - - 1 5 0 ) 按结构分类 m 3 。外罐为立式平底拱盖筒行，容积( 3 0 0 - 1 0 0 0 ) m 3 ，工作压力为( o 2 1 2 ) 1 v p a 的大型储罐。 ( 2 ) 球形：内外罐均为球状。多为( 2 0 0 1 5 0 0 ) m 3 ，工作压力为( 0 2 1 0 ) m p a 。 6 硕士学位论文 ( 3 ) 典型全封闭维护系统型：一般为平底双壁圆柱形，外罐采用平底拱顶结构，内 罐吊项结构。地上型特大储罐容量为8 万m 3 ，多用于l n g 接收终端站( 最 大2 0 万1 3 ) 。 1 4 2 大型l n g 储罐 本文的研究对象为大型l n g 储罐，其通常为立式，平底双壁圆柱形、内吊顶外拱顶 的单容罐结构。大型l n g 储罐结构示意图如图1 3 所示。储罐由内罐、外罐、安全泄放装 置、测量分析仪表、泵阀及管路系统等组成。内罐由9 n i 钢制成，内罐顶通常为吊顶结 构，通过吊杆悬挂在外罐拱顶上，吊顶甲板与内罐的缝隙采用铝板密封，防止灰尘、绝 热材料或其他杂质漏入内罐。罐内为常压，外罐材料为碳钢，平底拱项结构。夹层一般 采用充填珠光砂的方式来绝热，罐底则采用玻璃砖绝热，罐顶通常采用岩棉绝热。储罐 安全泄放装置由内罐安全阀、外罐安全阀、紧急放空阀、最高液位报警、内罐溢流阀等 组成。内罐安全阀，用于超压保护，当储罐罐内压力超过正压上限值时安全阀开启以保 护储罐。外罐顶部装有呼吸阀和紧急放空阀，呼吸阀用以保证夹层内维持微正压，同时 具有呼与吸两项功能；紧急放空阀在紧急情况时使用，即当内罐液体泄漏流入夹层后大 量汽化，使夹层内压力迅速升高，此时开启紧急放空阀泄压，以防发生意外。储罐还装 有液位压力显示仪表、分析取样仪表以及内罐溢流阀等 3 0 - 3 4 。大型l n g 常压储罐内罐、 外罐均为工厂预制散件，现场组焊，对焊接、施工水平、施工管理以及检验技术等方面的 要求较高，施工现场工作量大【3 5 1 。大型l n g 常压储罐储存容积大，壁厚薄，蒸发率低， 罐项采用吊顶结构，内罐与夹层相通，使得储罐在