大型LNG储罐的保冷性能及可靠性

　　大型LNG储罐是LNG接收站的核心设备。当外界热量不断向罐内传递时，将造成LNG密度发生变化，LNG的分层平衡被破坏，进而引发分层翻滚现象。分层翻滚产生大量的蒸发气使得大型LNG储罐压力升高，若蒸发气体不能及时排出将会导致储罐超压，引发排空事故。

　　因此，合理评估大型低温储槽的保冷性能，对其隔热层进行优化以获得经济、的保冷效果具有重要的工程价值。目前，对于大型LNG储罐保冷性能的主要集中在储罐隔热层的建造技术、绝热计算以及储罐整体温度场分布等方面。为了提高储罐保冷性能，通常从保冷材料的选择及施工工艺方而进行考虑，珠海LNG储罐建造时特别增加了罐壁弹性毡的厚度，另外采用干砂作为找平层，增强了绝热效果；山东LNG接收站储罐建造时考虑了水蒸气对保冷材料的危害，采用隔气性能较好的马蹄脂和粘结剂进行隔气保护。但是，对于保冷效果的综合评价、隔热层的优化设计却较少涉及，从罐壁受力变形来进行隔热层优化是鲜有。

　　大型LNG储罐内、外罐壁间的环形空间为堆积绝热方式，保冷材料选用质量轻、绝热性好的膨胀珍珠岩。大型LNG储罐会因温度变化产生变形，因此，在内罐壁外侧安装由玻璃棉制成的弹性玻璃纤维毡，为珍珠岩提供弹性，可以防止或珍珠岩的沉降，避免了二次填充。热角保护系统由高度为5m的9%Ni钢壁板及泡沫玻璃砖隔热层、9%Ni钢层底板等组成。

　　由于罐壁隔热层中的弹性玻璃纤维毡隔热层厚度较小，且对于膨胀珍珠岩层具有的缓冲效果，因此计算时假设弹性玻璃纤维毡厚度不变，仅考虑膨胀珍珠岩层厚度的变化，考虑到储罐外罐壁表而较大允许保冷损失，可得罐壁隔热层厚度与保冷损失率关系：保冷损失率随着膨胀珍珠岩隔热层厚度的增加而减小。当膨胀珍珠岩层厚度为0时，保冷损失率较大，达到11.2；当膨胀珍珠岩层厚度超过0.38m时，保冷损失率降幅很小，如从0.38m增至0.66m，保冷损失率仅仅降低1.485。可见，仅从保冷角度设计的大型LNG储罐隔热层厚度偏厚，膨胀珍珠岩层厚度为0.66m时的保冷损失与0.38m时基木相同。

　　液化气储罐外罐壁温度在传递过程中，外罐壁内外两侧有较小的温差。温差使得储罐结构产生收缩应变和体积变形，外罐壁在内外约束下，产生温度应力。在正常使用状态下，自重、预应力、内部气压、液压以及罐顶压力共同作用使得外罐壁部分区域拉应力较大，较小的温差作用可能加剧外罐壁的受拉。混凝土作为一种抗拉强度较低的脆性材料，在较小的拉应力下即可能受到破坏，将外罐壁在温差作用下的受力变形情况作为罐壁保冷设计参考是的。大型LNG储罐罐体多种传热方式共存，考虑到罐顶与罐底的热损失可能对罐壁热损失产生影响，因此进行外罐壁热损失分析时，计算整个大型LNG储罐温度场。由于储罐外罐所受荷载及几何上的对称性，取1/4外罐进行建模。模型建立步骤如下：①通过外罐壁及隔热层温度场模型，求解外罐及隔热层的温度分布；②建立外罐壁结构模型；③温度场与结构场祸合求解不同隔热层厚度条件下的储罐受力及变形情况。

　　随着罐壁隔热层半径的增大，各层保温材料温度增加速率较快，而较外层外罐壁混凝土的温度增加比较平缓。这主要是由于各层隔热材料的热阻比混凝土的热阻大一个数量级，隔热，因此温度升高较快。数值模拟计算结果表明，外罐壁较低温度出现在罐壁与罐顶交接处，为15.29℃，较高温度出现在罐壁与罐底交接处，为17.65℃，其温差仅为2.36℃。外罐壁内侧温度为15.30℃，温差为2.35℃，误差仅为0.43%，由此说明数值模拟外罐温度变化的结果是的。

　　当外罐壁只受温差荷载时，依据外罐的环向应力在温差作用下，外罐外侧受压，内侧受拉，在罐底部位出现较大环向压应力，而在外罐中间出现较大环向拉应力490482N/㎡。圆筒形结构温度应力的详细求解方法求得的较大环向拉应力为505598N/㎡，误差小于5%，因此用数值模拟方法来分析温度应力结果也是的。

　　结论

　　(1)太阳辐射对储罐温度场影响较大，使得外罐外侧温度的变化幅度大，在进行LNG储罐保冷设计及相关计算时，不可忽略太阳辐射的影响。

　　(2)对隔热层(主要是膨胀珍珠岩层)进行厚度优化时，不同厚度对应不同温差，特别是隔热层厚度较小时，温度应力对外罐壁的受力及变形影响较大，在进行保冷设计时，不可忽略温差对于储罐结构的影响。

　　(3)隔热层膨胀珍珠岩的厚度从0.66m减小到0.38m，即厚度减小42.4%时，其保冷损失仅增大1.485%，LNG蒸发率仅增大0.0048%。实际工程设计中，在考虑富余量的前提下，可以适当减小隔热层厚度，提高经济性。