LNG全容式储罐内珍珠岩侧压力计算

第 4 2卷第 6期 2 0 1 3年 1 1月 石油化工设备 P ETR0一 CHEMI CAL EQUI PMENT Vo1 4 2 No 6 Nov 2 O1 3 文章编号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 3 0 6 0 0 4 7 0 3 L NG全容式储罐 内珍珠岩侧压 力计算 杜亮坡 郭 磊 东志红 高 枫 唐 颖浩 中国石 油天 然气 管道工程有限公司 河北 廊坊0 6 5 0 0 0 摘要 针对珍珠岩颗粒之 间以及颗粒与 内罐壁之间存在摩擦的情 况 采 用粉体 力学的理论计算 了 液化天然气 L NG 全容式储罐 内珍珠岩侧压力 以目前 国内 L NG接收站 常用的 1 6万 m L NG混 凝土全容式储罐为例 推导 出了珍珠岩对 内罐壁侧压力的计算公 式 关 键词 储罐 液化天然气 珍珠岩 侧压力 计算 中图分 类 号 TE 9 7 2 TQ0 5 3 2 文献标 志码 B d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 3 0 6 0 1 1 Ca l c u l a t i o n Pe r l i t e S i d e Pr e s s u r e o f Li q u e f i e d Na t u r a l Ga s Fu l l Co n t a i nme n t Ta n k DU l i a ng po GUO Le i DONG Zh i h o n g GAO Fe ng TANG Yi n g h a o Ch i n a Pe t r o l e u m P i p e l i n e En g i n e e r i n g Co r p o r a t i o n L a n g f a n g 0 6 5 0 0 0 Ch i n a Ab s t r a c t Du e t o t h e f r i c t i o n o f t h e p e r l i t e p a r t i c l e s a n d b e t we e n p a r t i c l e s a n d i n s i d e t a n k wa l l t h e p o wde r me c h a ni c s t h e o r y i s a d op t e d t o c a l c u l a t e pe r l i t e s i de pr e s s ur e of l i q ue f i e d na t ur a l g a s LNG f u l l c o nt a i n m e n t t a nk wi t h t he c ur r e n t d ome s t i c LNG r e c e i v i n g s t a t i on c o mm o nl y us e d 1 6 1 0 m LNG f ul l c o nt a i nme n t t a nk a s a n e x a mpl e t o de r i ve t he c a l c u l a t i o n f o r m u l a o f pe r l i t e s i d e pr e s s ur e o f LNG f ul l c o nt a i nme n t t a nk Ke y wo r d s t a n k l i q u e f i e d n a t u r a l g a s p e r l i t e s i d e p r e s s u r e c a l c u l a t i o n 9 汲水 杜文静 王鹏 等 交错搭接 螺旋 折流板换热器壳 程流动与传热 的场协 同分析 J 中国电机 工程 学报 2 0 1 1 3 1 2 0 7 5 8 0 J I S h u i DU W e n j i n g W ANG P e n g e t a 1 F i e l d S y n e r g y An a l y s i s o n S h e l l s i d e Fl o w a n d He a t Tr a n s f e r of He a t Exc h a nge r wi t h St ag ge r e d Ove r l a p He l i c a l B a f f l e s J P r o c e e d i n g s o f t h e C S E E 2 0 1 1 3 1 2 0 7 5 8 O 1 0 王欢 张国福 宋天民 等 不 同螺旋角螺旋折流板换热器 传热性能对比试验 J 节能技术 2 0 0 9 2 7 6 5 1 9 5 2 1 W ANG Hu a n ZHANG Gu o f u S ONG Ti a n mi n e t a 1 Co mp a r i s o n Ex p e r i me n t a l S t u d y o f H e a t Tr a n s f e r Pe r f or ma nc e of He a t Ex c ha ng e r s wi t h Di f f e r e nt H e l l c a l B a f f l e s J E n e r g y C o n S e r v a t i o n T e c h n o l o g y 2 0 0 9 2 7 6 5 1 9 5 2 1 1 1 张剑飞 李斌 黄文 江 等 螺旋折 流板 换热器流 动与换 热特性 的试验分析 J 工程热物 理学报 2 0 0 9 3 1 1 l 47 一 l 49 ZHANG J i a n f e i LI B i n HUANG W e n j i a n g e t a 1 Ex pe r i me nt Ana l y s i s o n t he Fl o w a nd He a t Tr a ns f e r C h a r a c t e r i s t i c s i n He l i c a l Ba f f l e d S h e l l a n d t u b e He a t E x c h a n g e r s J J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g T h e r mo p h y s i c s 2 0 0 9 3 1 1 1 4 7 1 4 9 1 1 2 3 G B 1 5 1 1 9 9 9 管壳式换热器 S G B 1 5 1 1 9 9 9 Tu b u l a r He a t E x c h a n g e r s s 1 3 刘红 禹 王艳云 丰艳 春 等 单 弓形 和螺旋 形折流板 换 热器数值模拟及性 能分 析l J 炼 油技术与工程 2 0 0 7 3 7 1 1 4 9 LI U Ho n g y u W ANG Ya n y u n FE NG Ya n c h u n e t a 1 Si m u l a t i o n a nd Ana l ys i s of Pe r f or ma nc e of Si n gl e S e g me n t a l B a f f l e s a n d He l i c a l Ba f f l e s He a t Ex c h a n g e r I J P e t r o l e u m R e f i n e r y E n g i n e e r i n g 2 0 0 7 3 7 1 1 49 张编 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 2 0 作者简介 杜亮坡 1 9 8 0 一 男 河北邯郸人 工程 师 硕士 从事储罐及压力容器设计工作 4 8 石油化工设备 2 0 1 3年第 4 2卷 随着国民经济的增长 天然气作 为一种清洁能 源 越来越受到人们 的青睐口 由于长距离天然气 管道建设耗资巨大 同等质量 的天然气要 比液化天 然气 L NG 体积大 6 0 0倍 且 L NG的密度小于水 的一半又不溶于水 因此将天然气液化在天然气储 存 和运输 中具 有 明显 优越 性 2 目前 L NG储罐 的型式主要有单容罐 双容罐 和全容罐 3 种 与单容罐和双容罐这 2种结构形式 相 比 全容罐带有混凝土罐顶 储罐着火的可能性以 及着火程度大为减小 其性能安全可靠 已成为当今 L NG储 罐 的主流 在 建 的 L NG接 收 站 普遍 采 用 此 型式 为 了减少储罐的蒸发损失 全容罐 的内罐和外 罐之间环形空间内填充有膨胀珍珠岩 珍珠岩为颗 粒 状物 质 在 无边 界约束 情况 下会 发生流 动 故 对罐 壁有侧 向压力 5 为避免珍珠岩对 内罐壁的压力 过大造成内罐壁失稳 在 内罐壁上需设置弹性毡和 加强圈 7 但 由于珍珠岩颗粒之间以及颗粒与 内罐 壁之 间存在 摩擦 故 其对 内罐 壁 的侧 向压 力 不 能采 用液体帕斯卡定律 压力与深度成正比 计算 应采 用粉体力学理论计算L 8 1 J a n s s e n公 式 对于粉体 J a n s s e n做 了如下假设 应力在水 平面 内是 均匀 的 同一 水 平 面 的铅 垂 压 力 相等 水平和垂直方向的应力是主应力 粉体的基本物 性和填充状态均一 故 内摩擦因数为常数 取粉体深 h处 的微元单元作为研究对象 其受 力情 况见 图 1 P l l l l Ph I 一 f f f l f f f p d p l p B d 图 1 微单元受力示图 当其受力平衡时 在铅垂方向的受力为 D P 4 D d h p B g一 7 r D p d p Dd h ph w 1 式中 P为竖 向压力 P 为水平压力 MP a p B为粉 体密度 k g m 为壁 面摩擦 因数 D 为简 体直 径 r n 整理式 1 得 Dp B g 4 ph U d h Dd p 2 水平压力与铅垂压力的 比值等于粉体测压 系 数 即 k P p 代入式 2 得 Dp B g 4 1 k p d h Dd p d p g D 一 n p B g c 根据 边界 条件 当 h一0时 铅 垂 压 力 P 一 0 得 C Dl n p B g 4 p 点 所 以 一 n p B g 一 1 e x p 水 平压 力 P k p 对 无 附着 性 的库 伦 粉 体 粉 体测压系数 尼可取粉体主动测压系数 即 是 一K 1 一s i n 1 s i n i 9 i 为粉体内摩擦角 对 J a n s s e n公式进行一般 推导 假设容器 的横 截面 积为 A 横截 面 的周长为 U 有 Ap a g U k p d h Ad p 则 d 一 d 丽 p 3 p Bg U 上 wR pf n 令 P p B g u k p A 则 d P一 一u k d p A d p 一 d P 代入 式 3 得 d 一 1 一 d P P 一 一 A 忌 w 一 一 U k l d hP A J w i n P一一U k h A I n C P Ce x p 一U k h A 4 把 P p B g U k p A 代入式 4 求 得 P iO B 志g 一 唧 一 U 当 h 一0 P 一0时 C p g P 一 1 e x p 一 U 第 6期 杜亮坡 等 L NG全 容式储 罐 内珍 珠岩侧压力计算 4 9 当 h 一0 P P 时 C p B g U k p A P 一 p B g p o m p B是g e x p 一 w 忌 h A 以上公式适用于等截面的任何容器 只需求出 U A 代 人计 算 即可 例如 对 于 圆环 形 容 器 内外径 分别 为 D 和 d 则 A n D 一d 4 U n D U A一4 D d 代 入 以上 各式 可 以得 到 h一0 P O 时 的铅垂 压力 式 5 及水平 压 力 式 6 P 1 e x p 一 4D 2 一w k h c s P 1 e x p 一 D4 Fe w k h 6 4 w L 一 J 2 珍 珠岩对 内罐侧压 力 以 1 6万 m 的 L NG混凝土全容罐 为例 计算 珍珠岩对 内罐侧压力 全容罐外罐直径 D一8 2 m 内罐 直 径 d一 8 0 m 膨 胀 珍 珠 岩 填 充 密 度 p B一 6 6 k g m 重力加速度 g一9 8 1 m s 珍珠岩壁面 摩擦角和内摩擦角分别取 1 5 和 3 0 则壁面摩擦 因 数 1 一t a n 1 5 一0 2 6 8 侧压系数 k 一 1 一s i n 3 0 1 s i n 3 0 一1 3 代入式 6 可计算出膨胀珍珠岩 对罐壁侧压力为 P 一1 2 0 7 9 5 1 一e x p 一0 1 7 8 7 h 7 3 结 语 由于珍珠岩颗粒之间以及珍珠岩与内罐壁之间 存在摩擦 故其对罐壁 的侧向压力不能采用液体帕 斯 卡定 律 压 力 与深 度 成 正 比 计 算 应 采 用 粉 体 力 学理论计算 根据粉体力学理论 1 6万 m L NG混 凝土全容罐珍珠 岩作用在 内罐壁 的侧压力 可按式 7 进行 计算 参考文献 1 李建军 L N G储罐 的建 造技术 J 焊接技术 2 0 0 6 3 5 4 54 56 LI J i a n j u n Th e C o n s t r u c t i o n Te c h n o l o g y o f LNG Ta n k J We l d i n g Te c h n o l o g y 2 0 0 6 3 5 4 5 4 5 6 2 张 云峰 王伟岭 大型 L N G 预应力储 罐罐壁 厚度 取值 探讨 J 油气 田地 面工程 2 0 0 8 2 7 1 2 2 9 Z HANG Yu n f e n g WANG W e i l i n g Th e S h e l l Th i c k n e s s V a l u e s o f t h e L a r g e L N G P r e s t r e s s e d T a n k J O i l Ga s f i e l d S u r f a c a En g i n e e r i n g 2 0 0 8 2 7 1 2 2 9 3 朱保 国 李晓明 宋启祥 等 液 化天然气储罐安全 技术 分析 J 石油化工设备 2 0 1 0 3 9 1 8 6 8 9 Z HU B a o g u o LI Xi a o mi n g S ONG Qi x i a n g e t a 1 Sa f e t y Te c hni c a l Ana l y s i s of Li qu e f i e d Na t ur a l Ga s T a n k J P e t r o c h e mi c a l E q u i p me n t 2 0 1 0 3 9 1 8 6 89 4 吕娜娜 谢剑 杨建江 大型 L N G低温储罐建造技术综 述 J 特种结构 2 0 0 8 2 7 1 1 0 5 1 0 8 L U Na n a XI E J i a n YANG J i a n j i a n g Th e Bu i l d i n g Te c hn ol og y o f La r ge s i z e d LNG Lo w t e mpe r a t ur e T a n k s J S p e c i a l S t r u c t u r e 2 0 0 8 2 7 1 1 0 5 1 0 8 5 朱 昌伟 马 国光 林燕红 等 中小 型 L NG储 罐 的高真 空多层绝热结构及影 响因素 J 石油规 划设计 2 0 0 8 1 9 1 4 1 4 3 Z H U C h a n g we i M A Gu o g u a n g LI N Ya m h o n g e t a 1 The Hi gh Va c u um M u l t i l a y e r I ns u l a t i on St r uc t ur e a n d I n f l u e n c e Fa c t o r s o f S ma l l a n d M e d i u m LNG Ta n k J P e t r o l e u m P l a n n i n g a n d E n g i n e e r i n g 2 0 0 8 1 9 1 4 1 4 3 6 陈叔平 安彭军 刘振全 等 立式高真空多层绝热 液化 天然气 L N G 储罐 的研 制 J 甘肃 工 业 大 学学 报 2 0 0 3 2 9 2 6 2 6 4 CHEN S h u p i n g AN Pe n g j u n LI U Z h e n q u a n e t a 1 De v e l o p m e n t o f Ve r t i c a l LNG S t o r a g e Ta n k wi t h Hi g h Va c u u m Mu h i l a y e r I n s u l a t i o n J J o u r n a l o f Ga n s u Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y 2 0 0 3 2 9 2 6 2 6 4 7 吕昌海 大型 L N G储 罐结 构及保 冷性 能研究 D 青 岛 青 岛科技大学 2 0 1 0 LU Ch a ng h a i La r ge s c a l e LNG Ta nk St r u c t ur e a nd I n s u l a t i o n P e r f o r ma n c e R e s e a r c h D Qi n g d a