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泄露時熱保護角對LNG外罐溫度場的影響

文檔作者：萬成亮孫建剛王振清崔利富李想文檔來源： 1．河南工業(yè)大學土木建筑學院 2．大連民族大學土木工程學院		點擊數：	更新時間： 2021年11月18日
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56 低溫建筑技術 2015年第11期(總第209期)
DOI：10．13905／j．cnki．awjz．2015．11．020
泄露時熱保護角對LNG外罐溫度場的影響
萬成亮 ， 孫建剛 ， 王振清 ， 崔利富。， 李想
(1．河南工業(yè)大學土木建筑學院， 鄭州450001； 2．大連民族大學土木工程學院， 遼寧大連116600)
【摘要】 為研究熱保護角在泄露工況下對LNG外罐溫度場的影響，以l6萬m’LNG預應力混凝土全容式
儲罐為研究對象，借助有限元軟件ANSYS下的FLUENT建立了儲罐的保溫層和外罐壁二維平面模型，考慮儲罐內
液體動態(tài)泄露過程中和泄露完成后超低溫液體對混凝土外罐的影響，對儲罐的溫度場進行模擬分析。分析表明，
受熱保護角作用的混凝土外罐高度越低，溫度變化越緩慢。不同工況受熱保護角作用的混凝土外罐溫度場在前
期差異明顯，但是隨著時間的推移，受影響混凝土外罐溫度場趨于相同。
【關鍵詞】溫度場；動態(tài)泄露；熱保護角；溫度梯度；LNG外罐
【中圖分類號】TU311．41 【文獻標識碼】 B 【文章編號】 1001—6864(2015)11—0056—03
LNG全容罐由一個鋼制內罐和一個混凝土外罐
組成。一旦內罐出現局部破裂，泄露的低溫液體主要
影響混凝土外罐壁，使外罐內壁面與外壁面之間形成
溫差，進而產生溫度應力以及液體自身重力等不利荷
載 。為減小溫度應力的產生，工程中在靠近外罐
底部的位置布置了泡沫玻璃磚構成的熱保護角(TCP)
． 使得液體無法與外罐壁直接接觸，只能通過TCP進
行熱傳導從而保護外罐壁。因此研究TCP在不同動
態(tài)泄露工況下對外罐溫度場的影響并找出溫度場變
化規(guī)律對儲罐的安全防護有重要幫助。
1 全容LNG儲罐的參數
采用16×10 m 全容式LNG儲罐。外罐壁厚
0．8m，罐壁高38．55m，外罐壁內側中心直徑82m；儲液
高度34．26m，內罐與外罐壁間隔lm，內罐壁中心直徑
為80m㈨。
保溫層從主容器外側至外罐壁內側依次為玻璃
纖維毯、膨脹珍珠巖、熱保護邊角為高度5m的泡沫玻
璃磚，外罐壁為預應力混凝土，罐體的徑向剖面及材
料的熱物理特性見表1及圖1[3 3。
表1 罐壁材料熱物理參數
外壁面外表面保持為對流邊界條件，表面對流傳
熱系數為25W／(m ·K)，罐壁周向外表面及高度方
向外表面均為絕熱邊界條件。
[基金項目] 國家自然科學基金項目(51278089)
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I 1
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．＼ 目 ln
∞
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~)．34mI 10．15m I＼3
1．玻璃纖維毯；2膨脹珍珠巖；3．泡沫玻璃磚；4．預應力混凝土
圖1 罐徑向幾何尺寸
2 泄露工況仿真參數
對LNG泄漏時外罐壁溫度場進行模擬，建模的內
容包括出現泄露孑L的內罐壁、保溫層和外罐壁預應力
混凝土；外罐外表面與空氣進行對流換熱，環(huán)境溫度
為24~C，預應力混凝土熱傳導系數為2．326 W／m·K，
LNG相關參數 ：溫度為一162℃ ；密度為424 ks／
m ；比熱為4000J／kg·K；熱傳導系數為0．0687 W／m
· K；粘度為1．37 X 10～kg／In·s。
3 創(chuàng)建模型與模型驗證
仿真所用模型用ANSYS 15自帶的Geometry創(chuàng)建
實體模型，進入Mesh中劃分網格，而后導入Fluent對
保溫層采用多孔介質模型中進行計算。使用文7中的
流量泄露公式用UDF編程實現動態(tài)泄露模擬。用編
程實現高度檢測功能測出保溫層中液體高度h，用公
式計算出內罐流出液體后的高度日。將此數值代人公
式不停迭代計算實現了動態(tài)泄露工況的模擬。
試驗證明相同泄露時間兩個tJ,~L的泄露量與當

58 低溫建筑技術 2015年第11期(總第209期)
在厚度方向起作用，當泄露孔高度過高時在高度方向
同樣作用明顯。受其保護的混凝土外罐高度越低，溫
度變化越緩慢。
泄露600h四種工況如圖8一圖11所示，此時溫度
場基本相同。說明泄露孔高度和面積等不同所造成
的差異主要集中在前期，而到了后期將要達到平衡時
各個位置溫度相差不大。不同工況條件下受熱保護
角作用的混凝土外罐溫度場變化在前期差異明顯，但
隨著時間推移，受影響混凝土外罐溫度場趨于相同。
(3) 熱保護角作用分析。不同工況條件下，混
凝土外壁面雖達到最低值時間有所不同，但最低值大
小相差不大。外罐外壁面各高度溫度相差不大，不能
很好的說明TCP的作用。因此要考證TCP的影響，對
外罐壁底部中間位置溫度變化曲線進行分析。
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時間，II
圖12 工況1各高度溫度時程曲線
高4m
高15m
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圖l3 工況2各高度溫度時程曲線
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lo0 200 300 40o S00 600
時間，ll
圖l4 工況3各高度溫度時程曲線
由圖12～圖15可知，在熱保護角的作用下外罐
壁中部溫度下降有明顯減小，保護作用明顯。四種工
況不受熱保護角作用的外罐壁中部溫度在達到最小
值時所用時間和數值大小差異明顯。但受熱保護角
作用的外罐壁則規(guī)律明顯。相同泄露孔面積條件下，
泄露孑L高度越高，受熱保護角作用外罐壁溫度變化越
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贈 。
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l00 200 300 4OO 50o 6o0
時間，ll
圖l5 工況4各高度溫度時程曲線
高4m
高15m
小，其達到最小值所用時間越長。相同泄露孔高度條
件下，孔洞面積越大，受熱保護角作用外罐壁溫度變
化越小，其達到最小值所用時間越長。
5 結語
(1) 熱保護角的保護功能不只在厚度方向起作
用，當泄露孔高度過高時在高度方向同樣作用明顯。
受其保護的混凝土外罐高度越低，溫度變化越緩慢。
(2) 不同工況條件下受熱保護角作用的混凝土
外罐溫度場變化在前期差異明顯，但是隨著時間的推
移，受影響混凝土外罐溫度場趨于相同。
(3) 相同泄露孔面積條件下，泄露孔高度越高，
受熱保護角作用外罐壁溫度變化越小，其達到最小值
所用時間越長。相同泄露孔高度條件下，孔洞面積越
大，受熱保護角作用外罐壁溫度變化越小，其達到最
小值所用時間越長。
參考文獻
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[收稿日期】2015—07—22
[作者簡介] 萬成亮(1988一)，男，河南固始人，碩士研究生，
從事防災減災工程研究。
【通訊作者] 孫建剛(1959一)，男，黑龍江安達人，教授，博導
生導師，從事防災減災工程及防護工程研究。
、醚贈

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