一種大型lng儲罐浮頂力學校核方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種大型LNG儲罐浮頂力學校核方法，其包括以下步驟：1)確定浮頂板所承受的基本荷載，基本荷載包括固定荷載和溫度荷載；2)通過建立力學控制方程，分別計算每一道加強環(huán)和每一跨浮頂板的徑向位移；3)將計算得到的第1跨浮頂板與第1道加強環(huán)的最終徑向位移進行比較，如果滿足迭代控制條件，則迭代求解結束，說明浮頂板每一圈跨距、浮頂板及加強環(huán)厚度設計合理；如果不滿足迭代控制條件，返回步驟2.1)重新預設第N道加強環(huán)的徑向位移，直至迭代求解結束。本發(fā)明彌補了通用規(guī)范或設計標準中關于儲罐浮頂結構計算指導性內(nèi)容很少的缺陷，可以作為設計方編制適用于大型LNG儲罐浮頂設計程序軟件的依據(jù)。
【專利說明】-種大型LNG儲罐淳頂力學校核方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種常壓儲罐（表壓力小于50kPa)的力學強度校核方法，特別是關于 一種適用于現(xiàn)場組裝的立式圓筒平底式的大型LNG (液化天然氣）儲罐浮頂力學校核方法。

【背景技術】
[0002] 大型LNG儲罐是中國沿海LNG接收終端的核心設備，LNG儲罐建造費用一般占接 收站工程費用的20?30 %，建造時間約為30個月，因此也是接收終端項目控制性建造工程 之一。大型LNG儲罐由于設計和建造技術要求高，為LNG項目核心技術難點之一。
[0003] 大型LNG儲罐鋁浮頂結構用來吊掛頂部玻璃棉保冷材料，浮頂鋁板每一圈及每一 圈吊桿必須考慮設計工況浮頂下方超低溫（_162°C)B0G(蒸發(fā)氣體）帶來的收縮作用及重 量荷載、維修工況荷載組合，所以各圈浮頂及各圈拉桿（必須考慮每一根拉桿相互間綜合 力及變形作用）在水平方向上低溫收縮變形及受力都相互聯(lián)系影響，導致整個作用計算過 程非常繁瑣復雜。浮頂設計的難點即在于浮頂重力和低溫收縮應力綜合作用下結構的受力 分析。
[0004] 大型LNG儲罐設計規(guī)范一般沿用美國標準API620、歐洲標準EN14620和GB/T 26978,但上述規(guī)范或設計標準中關于儲罐浮頂結構計算指導性內(nèi)容很少，因此大型LNG儲 罐浮頂設計仍為儲罐設計難點之一。目前，大型LNG儲罐浮頂設計一般采用有限元完成結 構校核設計，常用的有限元軟件有ANSYS、ABAQUS和LUSAS等。但由于有限元計算過程中邊 界輸入的人為性及各有限元軟件單元選擇、荷載組合選擇等方面都存在較大不確定性，給 計算結果帶來一定誤差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種既可以提高校核的效率及校核結果的準 確性，又能為大型LNG儲罐浮頂?shù)脑O計提供依據(jù)的大型LNG儲罐浮頂力學校核方法。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案：一種大型LNG儲罐浮頂力學校核方 法，包括以下步驟：1)確定浮頂板所承受的基本荷載，基本荷載包括固定荷載和溫度荷載； 2)通過建立力學控制方程，分別計算每一道加強環(huán)和每一跨浮頂板的徑向位移，具體計算 過程為：2. 1)根據(jù)實際工程應用，預設第N道所述加強環(huán)的徑向位移；2. 2)根據(jù)第N道所 述加強環(huán)的徑向位移計算第N跨所述浮頂板的徑向位移；2. 3)根據(jù)第N道所述加強環(huán)的 徑向位移和第N跨所述浮頂板的徑向位移計算第（N-I)道所述加強環(huán)的徑向位移，并對第 (N-I)道所述加強環(huán)的徑向位移進行判斷，如果徑向位移為正數(shù)，則繼續(xù)計算，如果徑向位 移為負數(shù)，則返回步驟2. 1)重新對第N道所述加強環(huán)的徑向位移進行預設；2. 4)依此類 推，分別計算得到每一跨所述浮頂板的徑向位移和每一道所述加強環(huán)的徑向位移；3)將計 算得到的第1跨所述浮頂板與第1道所述加強環(huán)的最終徑向位移進行比較，如果滿足迭代 控制條件，則迭代求解結束，說明所述浮頂板每一圈跨距、所述浮頂板及所述加強環(huán)厚度設 計合理；如果不滿足迭代控制條件，返回步驟2. 1)重新預設第N道所述加強環(huán)的徑向位移， 直至迭代求解結束。
[0007] 所述步驟1)中，所述浮頂板邊緣最外圈所述加強環(huán)即第N道所述加強環(huán)處固定總 荷載V為原有的固定荷載q加上背部膨脹珍珠巖粉末的側壓力PgL w，即q' =q+PgLN; 其中P為膨脹珍珠巖粉末密度，g為重力加速度，Ln為第N圈吊桿的長度。
[0008] 所述步驟1)中，溫度荷載表現(xiàn)為所述浮頂板在低溫下的徑向收縮位移，從環(huán)境溫 度降到工作溫度引起的徑向收縮位移量R=為：R〖=?x/?,,χΔΓ，其中α為溫度變化范圍內(nèi) 所述浮頂板的平均線性膨脹系數(shù)，R n為第η圈所述加強環(huán)到所述浮頂板中心軸線的距離， Λ T為環(huán)境溫度與工作溫度間的溫差。
[0009] 所述步驟3)中，所述浮頂板和所述加強環(huán)的最終徑向位移為受力引起的徑向位 移加上低溫引起的徑向位移R；：。
[0010] 所述步驟3)中，迭代計算收斂后，記錄求解過程中每一跨的切向應力Tn，每一跨 的徑向位移八和S'";各跨應力小于許用應力[σ]而且徑向位移δ η小于設計規(guī)范要求， 則設計所述浮頂結構合格。
[0011] 所述步驟3)中，迭代計算收斂后，若切向應力滿足設計規(guī)范要求，而徑向位移不 滿足設計規(guī)范要求，則設計所述浮頂結構不合格，一般情況下是由所述加強環(huán)數(shù)量N偏少 引起，這時可試著逐步增加所述加強環(huán)數(shù)量Ν，然后重新進行迭代求解；迭代計算收斂后， 若徑向位移滿足設計規(guī)范要求，而切向應力不滿足設計規(guī)范要求，則設計所述浮頂結構不 合格，一般情況下是由所述浮頂板厚度t偏薄引起，這時可試著逐步增加所述浮頂板厚度 t，然后重新進行迭代求解；迭代計算收斂后，若切向應力和徑向位移均不滿足設計規(guī)范要 求，則設計所述浮頂結構不合格，一般情況下是由所述加強環(huán)數(shù)量N偏少和所述浮頂板厚 度t偏薄引起，這時可試著同時逐步增加所述加強環(huán)數(shù)量N和所述浮頂板厚度t，然后重新 進行迭代求解。
[0012] 本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明由于提供了一種大型 LNG儲罐浮頂力學校核方法，彌補了通用規(guī)范或設計標準中關于儲罐浮頂結構計算指導性 內(nèi)容很少的缺陷，可以作為設計方編制適用于大型LNG儲罐浮頂設計程序軟件的依據(jù)。2、 本發(fā)明由于引入了低溫收縮因素對力學控制方程的影響，提高了校核計算結果的準確性。 3、本發(fā)明由于從基礎受力控制方程出發(fā)，對浮頂力學的各種受力載荷進行分析簡化，對各 種待求量進行合理賦值求解，并給出了迭代求解方法，因此有效地提高了儲罐浮頂?shù)男：?效率、降低了為此而付出的成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明涉及的大型LNG儲罐結構示意圖
[0014] 圖2是本發(fā)明涉及的浮頂結構示意圖
[0015] 圖3為本發(fā)明浮頂最外圈加強環(huán)局部示意圖 [0016] 圖4為本發(fā)明浮頂最外圈內(nèi)各加強環(huán)局部示意圖 [0017] 圖5為浮頂板重力作用下"下垂"后示意圖 [0018] 圖6為浮頂板第1圈受力分析圖
[0019] 圖7為浮頂板第2圈至第N圈受力分析圖

【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。
[0021] 如圖1、圖2所示，本發(fā)明方法涉及的大型LNG儲罐包括樁承臺基礎1，設置在樁承 臺基礎1頂部的罐底保溫層2,固定在樁承臺基礎1上的預應力混凝土外罐3和金屬內(nèi)罐 4,設置在外罐3與內(nèi)罐4之間的罐壁保溫層5 (即膨脹珍珠巖粉末），設置在罐壁保溫層5 內(nèi)靠近外罐3的熱角保護系統(tǒng)（TCP)6,以及懸掛在內(nèi)罐4上部的浮頂結構7。
[0022] 上述浮頂結構7為中心軸對稱結構，其包括一圓形的浮頂板71，在浮頂板71上表 面焊接有N圈同心圓狀加強環(huán)8,在每一加強環(huán)8與外罐3拱頂31之間設置有若干通過螺 栓固定的吊桿9,在浮頂板71頂部覆蓋有保冷層72,以防止結冰現(xiàn)象發(fā)生，并保證外罐3拱 頂31內(nèi)的溫度不低于它的設計溫度。最邊緣一圈吊桿9外表面緊貼一層不銹鋼鋼絲網(wǎng)和 承壓玻璃布，用來阻擋環(huán)形空間上端珍珠巖粉末進入中心浮頂區(qū)域。
[0023] 上述實施例中，一般浮頂板71由薄的鋁板構成，保冷層72采用玻璃棉保冷材料， 加強環(huán)8采用鋁質(zhì)材料，吊桿9采用不銹鋼扁鋼。
[0024] 上述實施例中，固定在浮頂板71上表面最外圈（第N圈）加強環(huán)8的截面形狀為 倒T型（如圖3所示），其余圈加強環(huán)8的截面形狀為I型（如圖4所示）。
[0025] 本發(fā)明大型LNG儲罐浮頂力學校核方法包括以下步驟：
[0026] 1)確定浮頂板所承受的基本荷載，基本荷載包括固定荷載和溫度荷載
[0027] ①確定浮頂板所承受的固定荷載
[0028] 浮頂板所承受的固定荷載q包括動荷載和部件自重總荷載，其中，動荷載為浮頂 結構安裝期間動荷載，部件自重總荷載包括保冷層、吊桿、加強環(huán)及浮頂板的自重總荷載。
[0029] 此外，在浮頂板外緣，由膨脹珍珠巖粉末產(chǎn)生的垂直荷載作用到最外圈加強環(huán)上。 因此，在浮頂板邊緣最外圈加強環(huán)處的固定總荷載q'需考慮背部膨脹珍珠巖粉末的側壓 力P gLN，即V = q+P gLN，其中P為膨脹珍珠巖粉末密度，其值為58?65kg/m3 ;g為重力 加速度；LN為第N圈吊桿的長度，其值為1. 8?2. 3m。
[0030] ②確定浮頂板所承受的溫度荷載
[0031] 溫度荷載表現(xiàn)為浮頂板在低溫下的徑向收縮位移R；：。浮頂板的工作溫度 為-162°C，環(huán)境溫度設為常溫20°C。在_162°C?20°C溫度范圍內(nèi)浮頂板的平均線性膨脹 系數(shù)α為18.5X1(T 6/°C，從環(huán)境溫度降到工作溫度引起徑向收縮位移量R=為：
[0032] R:二 α X /?" X ΔΓ = ? X /(, X [20-(-162)]，
[0033] 其中Rn為第η圈加強環(huán)到浮頂板中心軸線的距離，Λ T為環(huán)境溫度與工作溫度間 的溫差。
[0034] 溫度荷載引起的徑向收縮量R；：與固定荷載引起的徑向收縮量δ η疊加后為浮頂 板最終的徑向收縮量s' η:
[0035] 4 = 4 + R;;。
[0036] 2)通過建立力學控制方程，求解浮頂板最終的徑向位移量
[0037] 如圖5所示，浮頂板從中心徑向朝邊緣方向共由N圈同心圓組成，每一圈同心圓對 應一圈加強環(huán)。浮頂板中間部位為第1圈，其輪廓假定為球面的一部分，其余圈視為圓環(huán)面 的一部分。浮頂板在固定荷載作用下"下垂"，此時：

【權利要求】
1. 一種大型LNG儲罐浮頂力學校核方法，包括以下步驟： 1) 確定浮頂板所承受的基本荷載，基本荷載包括固定荷載和溫度荷載； 2) 通過建立力學控制方程，分別計算每一道加強環(huán)和每一跨浮頂板的徑向位移，具體 計算過程為： 2. 1)根據(jù)實際工程應用，預設第N道所述加強環(huán)的徑向位移； 2. 2)根據(jù)第N道所述加強環(huán)的徑向位移計算第N跨所述浮頂板的徑向位移； 2.3)根據(jù)第N道所述加強環(huán)的徑向位移和第N跨所述浮頂板的徑向位移計算第（N-I) 道所述加強環(huán)的徑向位移，并對第（N-I)道所述加強環(huán)的徑向位移進行判斷，如果徑向位 移為正數(shù)，則繼續(xù)計算，如果徑向位移為負數(shù)，則返回步驟2. 1)重新對第N道所述加強環(huán)的 徑向位移進行預設； 2. 4)依此類推，分別計算得到每一跨所述浮頂板的徑向位移和每一道所述加強環(huán)的徑 向位移； 3) 將計算得到的第1跨所述浮頂板與第1道所述加強環(huán)的最終徑向位移進行比較，如 果滿足迭代控制條件，則迭代求解結束，說明所述浮頂板每一圈跨距、所述浮頂板及所述加 強環(huán)厚度設計合理；如果不滿足迭代控制條件，返回步驟2. 1)重新預設第N道所述加強環(huán) 的徑向位移，直至迭代求解結束。
2. 如權利要求1所述的一種大型LNG儲罐浮頂力學校核方法，其特征在于：所述步驟 1)中，所述浮頂板邊緣最外圈所述加強環(huán)即第N道所述加強環(huán)處固定總荷載q'為原有的 固定荷載q加上背部膨脹珍珠巖粉末的側壓力PgLw，即V=q+PgLw;其中P為膨脹珍 珠巖粉末密度，g為重力加速度，Ln為第N圈吊桿的長度。
3. 如權利要求1所述的一種大型LNG儲罐浮頂力學校核方法，其特征在于：所述步驟 1)中，溫度荷載表現(xiàn)為所述浮頂板在低溫下的徑向收縮位移，從環(huán)境溫度降到工作溫度引 起的徑向收縮位移量K為，其中α為溫度變化范圍內(nèi)所述浮頂板的平 均線性膨脹系數(shù)，Rn為第η圈所述加強環(huán)到所述浮頂板中心軸線的距離，ΛT為環(huán)境溫度與 工作溫度間的溫差。
4. 如權利要求2所述的一種大型LNG儲罐浮頂力學校核方法，其特征在于：所述步驟 1)中，溫度荷載表現(xiàn)為所述浮頂板在低溫下的徑向收縮位移，從環(huán)境溫度降到工作溫度引 起的徑向收縮位移量R=為：其中α為溫度變化范圍內(nèi)所述浮頂板的平 均線性膨脹系數(shù)，Rn為第η圈所述加強環(huán)到所述浮頂板中心軸線的距離，ΛT為環(huán)境溫度與 工作溫度間的溫差。
5. 如權利要求1或2或3或4所述的一種大型LNG儲罐浮頂力學校核方法，其特征在 于：所述步驟3)中，所述浮頂板和所述加強環(huán)的最終徑向位移為受力引起的徑向位移加上 低溫引起的徑向位移R；：。
6. 如權利要求1或2或3或4所述的一種大型LNG儲罐浮頂力學校核方法，其特征在 于：所述步驟3)中，迭代計算收斂后，記錄求解過程中每一跨的切向應力Tn，每一跨的徑向 位移δ，Ρδ' ";各跨應力小于許用應力[?]而且徑向位移δη小于設計規(guī)范要求，則設 計所述浮頂結構合格。
7. 如權利要求5所述的一種大型LNG儲罐浮頂力學校核方法，其特征在于：所述步驟 3)中，迭代計算收斂后，記錄求解過程中每一跨的切向應力Tn，每一跨的徑向位移6"和S'n ;各跨應力小于許用應力[σ]而且徑向位移δn小于設計規(guī)范要求，則設計所述浮頂 結構合格。
8. 如權利要求1或2或3或4或7所述的一種大型LNG儲罐浮頂力學校核方法，其特征 在于：所述步驟3)中，迭代計算收斂后，若切向應力滿足設計規(guī)范要求，而徑向位移不滿足 設計規(guī)范要求，則設計所述浮頂結構不合格，一般情況下是由所述加強環(huán)數(shù)量N偏少引起， 這時可試著逐步增加所述加強環(huán)數(shù)量N，然后重新進行迭代求解；迭代計算收斂后，若徑向 位移滿足設計規(guī)范要求，而切向應力不滿足設計規(guī)范要求，則設計所述浮頂結構不合格，一 般情況下是由所述浮頂板厚度t偏薄引起，這時可試著逐步增加所述浮頂板厚度t，然后重 新進行迭代求解；迭代計算收斂后，若切向應力和徑向位移均不滿足設計規(guī)范要求，則設計 所述浮頂結構不合格，一般情況下是由所述加強環(huán)數(shù)量N偏少和所述浮頂板厚度t偏薄引 起，這時可試著同時逐步增加所述加強環(huán)數(shù)量N和所述浮頂板厚度t，然后重新進行迭代求 解。
9. 如權利要求5所述的一種大型LNG儲罐浮頂力學校核方法，其特征在于：所述步驟 3)中，迭代計算收斂后，若切向應力滿足設計規(guī)范要求，而徑向位移不滿足設計規(guī)范要求， 則設計所述浮頂結構不合格，一般情況下是由所述加強環(huán)數(shù)量N偏少引起，這時可試著逐 步增加所述加強環(huán)數(shù)量N，然后重新進行迭代求解；迭代計算收斂后，若徑向位移滿足設計 規(guī)范要求，而切向應力不滿足設計規(guī)范要求，則設計所述浮頂結構不合格，一般情況下是由 所述浮頂板厚度t偏薄引起，這時可試著逐步增加所述浮頂板厚度t，然后重新進行迭代求 解；迭代計算收斂后，若切向應力和徑向位移均不滿足設計規(guī)范要求，則設計所述浮頂結構 不合格，一般情況下是由所述加強環(huán)數(shù)量N偏少和所述浮頂板厚度t偏薄引起，這時可試著 同時逐步增加所述加強環(huán)數(shù)量N和所述浮頂板厚度t，然后重新進行迭代求解。
10. 如權利要求6所述的一種大型LNG儲罐浮頂力學校核方法，其特征在于：所述步驟 3)中，迭代計算收斂后，若切向應力滿足設計規(guī)范要求，而徑向位移不滿足設計規(guī)范要求， 則設計所述浮頂結構不合格，一般情況下是由所述加強環(huán)數(shù)量N偏少引起，這時可試著逐 步增加所述加強環(huán)數(shù)量N，然后重新進行迭代求解；迭代計算收斂后，若徑向位移滿足設計 規(guī)范要求，而切向應力不滿足設計規(guī)范要求，則設計所述浮頂結構不合格，一般情況下是由 所述浮頂板厚度t偏薄引起，這時可試著逐步增加所述浮頂板厚度t，然后重新進行迭代求 解；迭代計算收斂后，若切向應力和徑向位移均不滿足設計規(guī)范要求，則設計所述浮頂結構 不合格，一般情況下是由所述加強環(huán)數(shù)量N偏少和所述浮頂板厚度t偏薄引起，這時可試著 同時逐步增加所述加強環(huán)數(shù)量N和所述浮頂板厚度t，然后重新進行迭代求解。
【文檔編號】G06F17/50GK104462678SQ201410704816
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月26日 優(yōu)先權日:2014年11月26日
【發(fā)明者】揚帆, 張超, 屈長龍, 李牧, 彭延建, 段品佳 申請人:中國海洋石油總公司, 中海石油氣電集團有限責任公司