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泄露时热保护角对LNG外罐温度场的影响

文档作者：万成亮孙建刚王振清崔利富李想文档来源： 1．河南工业大学土木建筑学院 2．大连民族大学土木工程学院		点击数：	更新时间： 2021年11月18日
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56 低温建筑技术 2015年第11期(总第209期)
DOI：10．13905／j．cnki．awjz．2015．11．020
泄露时热保护角对LNG外罐温度场的影响
万成亮 ， 孙建刚 ， 王振清 ， 崔利富。， 李想
(1．河南工业大学土木建筑学院， 郑州450001； 2．大连民族大学土木工程学院， 辽宁大连116600)
【摘要】 为研究热保护角在泄露工况下对LNG外罐温度场的影响，以l6万m’LNG预应力混凝土全容式
储罐为研究对象，借助有限元软件ANSYS下的FLUENT建立了储罐的保温层和外罐壁二维平面模型，考虑储罐内
液体动态泄露过程中和泄露完成后超低温液体对混凝土外罐的影响，对储罐的温度场进行模拟分析。分析表明，
受热保护角作用的混凝土外罐高度越低，温度变化越缓慢。不同工况受热保护角作用的混凝土外罐温度场在前
期差异明显，但是随着时间的推移，受影响混凝土外罐温度场趋于相同。
【关键词】温度场；动态泄露；热保护角；温度梯度；LNG外罐
【中图分类号】TU311．41 【文献标识码】 B 【文章编号】 1001—6864(2015)11—0056—03
LNG全容罐由一个钢制内罐和一个混凝土外罐
组成。一旦内罐出现局部破裂，泄露的低温液体主要
影响混凝土外罐壁，使外罐内壁面与外壁面之间形成
温差，进而产生温度应力以及液体自身重力等不利荷
载 。为减小温度应力的产生，工程中在靠近外罐
底部的位置布置了泡沫玻璃砖构成的热保护角(TCP)
． 使得液体无法与外罐壁直接接触，只能通过TCP进
行热传导从而保护外罐壁。因此研究TCP在不同动
态泄露工况下对外罐温度场的影响并找出温度场变
化规律对储罐的安全防护有重要帮助。
1 全容LNG储罐的参数
采用16×10 m 全容式LNG储罐。外罐壁厚
0．8m，罐壁高38．55m，外罐壁内侧中心直径82m；储液
高度34．26m，内罐与外罐壁间隔lm，内罐壁中心直径
为80m㈨。
保温层从主容器外侧至外罐壁内侧依次为玻璃
纤维毯、膨胀珍珠岩、热保护边角为高度5m的泡沫玻
璃砖，外罐壁为预应力混凝土，罐体的径向剖面及材
料的热物理特性见表1及图1[3 3。
表1 罐壁材料热物理参数
外壁面外表面保持为对流边界条件，表面对流传
热系数为25W／(m ·K)，罐壁周向外表面及高度方
向外表面均为绝热边界条件。
[基金项目] 国家自然科学基金项目(51278089)
l2
、
I 1
I
／ 4
．＼ 目 ln
∞
n
~)．34mI 10．15m I＼3
1．玻璃纤维毯；2膨胀珍珠岩；3．泡沫玻璃砖；4．预应力混凝土
图1 罐径向几何尺寸
2 泄露工况仿真参数
对LNG泄漏时外罐壁温度场进行模拟，建模的内
容包括出现泄露孑L的内罐壁、保温层和外罐壁预应力
混凝土；外罐外表面与空气进行对流换热，环境温度
为24~C，预应力混凝土热传导系数为2．326 W／m·K，
LNG相关参数 ：温度为一162℃ ；密度为424 ks／
m ；比热为4000J／kg·K；热传导系数为0．0687 W／m
· K；粘度为1．37 X 10～kg／In·s。
3 创建模型与模型验证
仿真所用模型用ANSYS 15自带的Geometry创建
实体模型，进入Mesh中划分网格，而后导入Fluent对
保温层采用多孔介质模型中进行计算。使用文7中的
流量泄露公式用UDF编程实现动态泄露模拟。用编
程实现高度检测功能测出保温层中液体高度h，用公
式计算出内罐流出液体后的高度日。将此数值代人公
式不停迭代计算实现了动态泄露工况的模拟。
试验证明相同泄露时间两个tJ,~L的泄露量与当

58 低温建筑技术 2015年第11期(总第209期)
在厚度方向起作用，当泄露孔高度过高时在高度方向
同样作用明显。受其保护的混凝土外罐高度越低，温
度变化越缓慢。
泄露600h四种工况如图8一图11所示，此时温度
场基本相同。说明泄露孔高度和面积等不同所造成
的差异主要集中在前期，而到了后期将要达到平衡时
各个位置温度相差不大。不同工况条件下受热保护
角作用的混凝土外罐温度场变化在前期差异明显，但
随着时间推移，受影响混凝土外罐温度场趋于相同。
(3) 热保护角作用分析。不同工况条件下，混
凝土外壁面虽达到最低值时间有所不同，但最低值大
小相差不大。外罐外壁面各高度温度相差不大，不能
很好的说明TCP的作用。因此要考证TCP的影响，对
外罐壁底部中间位置温度变化曲线进行分析。
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图12 工况1各高度温度时程曲线
高4m
高15m
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0 100 200 30o 4O0 500 600
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图l3 工况2各高度温度时程曲线
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lo0 200 300 40o S00 600
时间，ll
图l4 工况3各高度温度时程曲线
由图12～图15可知，在热保护角的作用下外罐
壁中部温度下降有明显减小，保护作用明显。四种工
况不受热保护角作用的外罐壁中部温度在达到最小
值时所用时间和数值大小差异明显。但受热保护角
作用的外罐壁则规律明显。相同泄露孔面积条件下，
泄露孑L高度越高，受热保护角作用外罐壁温度变化越
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20
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赠 。
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l00 200 300 4OO 50o 6o0
时间，ll
图l5 工况4各高度温度时程曲线
高4m
高15m
小，其达到最小值所用时间越长。相同泄露孔高度条
件下，孔洞面积越大，受热保护角作用外罐壁温度变
化越小，其达到最小值所用时间越长。
5 结语
(1) 热保护角的保护功能不只在厚度方向起作
用，当泄露孔高度过高时在高度方向同样作用明显。
受其保护的混凝土外罐高度越低，温度变化越缓慢。
(2) 不同工况条件下受热保护角作用的混凝土
外罐温度场变化在前期差异明显，但是随着时间的推
移，受影响混凝土外罐温度场趋于相同。
(3) 相同泄露孔面积条件下，泄露孔高度越高，
受热保护角作用外罐壁温度变化越小，其达到最小值
所用时间越长。相同泄露孔高度条件下，孔洞面积越
大，受热保护角作用外罐壁温度变化越小，其达到最
小值所用时间越长。
参考文献
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[收稿日期】2015—07—22
[作者简介] 万成亮(1988一)，男，河南固始人，硕士研究生，
从事防灾减灾工程研究。
【通讯作者] 孙建刚(1959一)，男，黑龙江安达人，教授，博导
生导师，从事防灾减灾工程及防护工程研究。
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