謝劍 安琪 金建邦
(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院 300350;2.濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué)) 300350)
當(dāng)今世界正處于向清潔能源過渡的時(shí)代, 天 然氣作為清潔能源的代表, 產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展, 其中液化天然氣(LNG)是重要的組成部分[1]。LNG 儲(chǔ)罐為一種儲(chǔ)存設(shè)施, 是確保LNG 安全存儲(chǔ)的關(guān)鍵手段。罐內(nèi)液態(tài)LNG 的溫度非常低( -162℃),與外圍環(huán)境溫差非常大, 儲(chǔ)罐內(nèi)部泄漏時(shí), 低溫的LNG 會(huì)使混凝土和其他材料的熱學(xué)和力學(xué)性能發(fā)生極大變化, 從而給結(jié)構(gòu)帶來不利影響。泄漏工況引起罐壁溫度分布和變形復(fù)雜, 因此對(duì)LNG儲(chǔ)罐泄漏工況的模擬試驗(yàn)進(jìn)行研究與分析顯得極為重要。
在泄漏工況下有限元分析方面, Navakurnar等[2]利用非線性有限元分析技術(shù)對(duì)儲(chǔ)罐外壁建立了參數(shù)化模型, 研究了不同泄漏工況、材料低溫本構(gòu)、鋼筋退化、拉伸硬化現(xiàn)象對(duì)LNG 混凝土外罐溫度場(chǎng)和變形的影響。萬成亮等[3]利用ANSYS 中FLUENT 軟件對(duì)儲(chǔ)罐建立模型, 采用多孔介質(zhì)模型發(fā)現(xiàn)泄漏孔徑尺寸對(duì)外罐壁溫度場(chǎng)產(chǎn)生的影響存在差異。張洲[4]建立了儲(chǔ)罐的精細(xì)化三維實(shí)體模型, 進(jìn)行了罐體在不同泄漏情況下的溫度作用效應(yīng)分析。呂娜娜等[5]采用二維軸對(duì)稱模型進(jìn)行分析結(jié)果表明, 選取混凝土低溫本構(gòu)的計(jì)算更加準(zhǔn)確。而在試驗(yàn)研究方面, Nguyen 等[6]對(duì)混凝土圓板模擬了泄漏工況試驗(yàn), 通過改變液氮噴灑的直徑得到混凝土傳熱規(guī)律和液氮蒸發(fā)速率的經(jīng)驗(yàn)公式。黃中偉等[7]對(duì)低溫混凝土試塊進(jìn)行溫度場(chǎng)試驗(yàn), 獲得其內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)及其熱學(xué)特性, 并結(jié)合PTCM 與IHCP 模型計(jì)算混凝土表面的熱通量分布。
綜上, 目前關(guān)于LNG 泄漏分析研究大多為數(shù)值模擬, 而相關(guān)的模擬試驗(yàn)極少。本文利用液氮對(duì)混凝土平板試件(模擬LNG 混凝土儲(chǔ)罐壁泄漏局部)進(jìn)行模擬泄漏試驗(yàn), 考慮凍融循環(huán)、有無鋼襯、泄漏孔徑的影響, 通過溫度傳感器和位移計(jì)獲得混凝土的溫度場(chǎng)和變形數(shù)據(jù), 結(jié)合有限元模型, 對(duì)試件的降溫和變形規(guī)律進(jìn)行分析, 并驗(yàn)證有限元模型的合理性。這對(duì)LNG 儲(chǔ)罐實(shí)際工程有重要的參考意義, 且為后續(xù)有限元分析起到一定的指導(dǎo)作用。
本試驗(yàn)的試件依據(jù)全容式LNG 儲(chǔ)罐的混凝土外罐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)(圖1)。通常會(huì)在鋼筋混凝土墻壁和保溫層中間設(shè)置鋼內(nèi)襯, 目的是使預(yù)應(yīng)力混凝土外墻結(jié)構(gòu)滿足氣密性及液密性的要求[8]。
圖1 罐壁結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of tank wall structure
本次試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)試驗(yàn)組, 變量分別為凍融循環(huán)、有無鋼襯、泄漏孔徑。具體的試驗(yàn)設(shè)計(jì)信息見表1。凍融循環(huán)試驗(yàn)組采用試件C-DR,共經(jīng)歷3 次凍融, DR-1、DR-2、DR-3 表示不同的凍融次數(shù); 有無鋼襯試驗(yàn)組采用試件C-GC,依次進(jìn)行有鋼襯試驗(yàn)GC-Y 和無鋼襯試驗(yàn)GCN; 泄漏孔徑試驗(yàn)組采用試件C-XLKJ, 超低溫沖擊孔直徑D依次為50mm、100mm、150mm。試件由LNG 儲(chǔ)罐工程常用的強(qiáng)度等級(jí)為C45 的混凝土制作而成, 室溫澆筑, 24h 拆模, 自然條件養(yǎng)護(hù)28d。
表1 試件設(shè)計(jì)Tab.1 Design information of specimens
試驗(yàn)裝置由降溫和測(cè)量采集系統(tǒng)兩部分組成。其中, 降溫系統(tǒng)選用液氮作為冷源( -196℃), 并通過自主設(shè)計(jì)的超低溫箱實(shí)現(xiàn)對(duì)冷源的控制。測(cè)量采集系統(tǒng)包含PT100 溫度傳感器、電子千分表及采集儀, 可滿足超低溫下混凝土試驗(yàn)的各種測(cè)量要求。試驗(yàn)裝置如圖2所示。
圖2 試驗(yàn)裝置示意Fig.2 Schematic diagram of test setup
泄漏孔徑通過改變液氮與試件接觸面的直徑大小控制。凍融循環(huán)試驗(yàn)泄漏孔徑為50mm; 有無鋼襯試驗(yàn)通過在試件上表面平放一塊厚度為8mm 的鋼板實(shí)現(xiàn), 泄漏孔徑為100mm。所有試驗(yàn)降溫均持續(xù)2h。
試驗(yàn)需要測(cè)量的數(shù)據(jù)為試件的溫度和變形,其測(cè)點(diǎn)的布置如下: 對(duì)于C-DR 試驗(yàn), 沿試件深度方向的中心線每隔20mm 布置一個(gè)PT100 溫度傳 感 器, 編 號(hào) 分 別 為TC11、TC21、TC31 和TC41, 以及在40mm 深度處布置一個(gè)與TC21 水平距離為50mm 的PT100, 編號(hào)為TC22; 對(duì)于CGC 試驗(yàn), 溫度傳感器沿埋深和水平方向雙向布置; 針對(duì)C-XLKJ 試驗(yàn), 增加位移測(cè)點(diǎn)DG1 和DG2, 并布置在試件兩側(cè)面的豎向中心線距上邊表面50mm 處, 見圖3。
圖3 泄漏孔徑試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Layout of test points
凍融循環(huán)試驗(yàn)是為了比較同一個(gè)試件經(jīng)歷不同次凍融循環(huán)后試件內(nèi)部的溫度場(chǎng)情況, 從而間接地判斷凍融循環(huán)對(duì)于混凝土熱力學(xué)性質(zhì)的影響。
試驗(yàn)前試件初始溫度在16℃左右, 關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室門窗保證無風(fēng), 以避免空氣對(duì)流的差異對(duì)試驗(yàn)的影響。不同的凍融循環(huán)次數(shù)下, 試件內(nèi)部同一位置的溫度-時(shí)間曲線如圖4 所示。
圖4 凍融循環(huán)試驗(yàn)溫度-時(shí)間曲線Fig.4 Temperature-time curves of C-DR
圖4 曲線以TC11 開始降溫為時(shí)間的零點(diǎn),觀察到, 即使埋深位置不一致, 但溫度傳感器3次測(cè)得的曲線幾乎重合, 說明3 次降溫循環(huán)過程中試件溫度變化幅度很小, 表2 為其詳細(xì)的數(shù)據(jù)。因?yàn)樵囼?yàn)初始階段混凝土接觸面完全充滿液氮的時(shí)間無法保證相同, 會(huì)使冷量從表面?zhèn)鬟f到試件內(nèi)部各不相同, 試件內(nèi)同一處的PT100 在每次凍融循環(huán)作用之間所測(cè)數(shù)值存在差異, 如DR-3與DR-1 的差值在2.5℃左右。
表2 凍融循環(huán)試件內(nèi)部溫度(單位:℃)Tab.2 Internal temperatures of C-DR(unit:℃)
因此, 3 次凍融循環(huán)對(duì)混凝土內(nèi)部溫度變化的影響較小, 同一混凝土試件上進(jìn)行3 次試驗(yàn)可認(rèn)為是相互獨(dú)立的, 這為后續(xù)試驗(yàn)建立了前提條件。
鋼襯是全容式儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)氣密性和液密性的保證, 當(dāng)LNG 泄漏后進(jìn)入到環(huán)形空間, 保溫材料保溫性能失效。在有限元分析中, 一般假設(shè)超低溫液體與混凝土直接接觸, 即不考慮鋼襯的作用。本組試驗(yàn)通過對(duì)有無鋼襯的混凝土試件進(jìn)行降溫試驗(yàn), 研究LNG 泄漏后鋼襯對(duì)罐壁熱傳導(dǎo)的影響, 并判斷有限元分析模型中對(duì)鋼襯處理方式的合理性。TC21、TC31 和TC22 位置處的溫度梯度的計(jì)算結(jié)果見表3。
表3 溫度梯度(單位:℃/mm)Tab.3 The temperature gradient(unit:℃/mm)
由表3 可得, GC-N 中各點(diǎn)溫度梯度均大于GC-Y, 且GC-N 中TC31 位置的溫度梯度甚至大于GC-Y 中更加靠近冷源的TC21 位置。根據(jù)文獻(xiàn)[9]的研究結(jié)果表明, 沿埋深方向和水平方向GC-N 的溫度值均遠(yuǎn)低于GC-Y, 降溫速率均大于GC-Y, 并對(duì)其中原因進(jìn)行了解釋。以上, 表明鋼襯對(duì)熱量傳遞有著顯著的影響, 且兩個(gè)試驗(yàn)的熱力學(xué)邊界條件有所不同, 需分別加以考慮。
泄漏孔徑?jīng)Q定試件受到低溫沖擊的劇烈程度, 并進(jìn)一步改變?cè)嚰臏囟葓?chǎng)和變形。試驗(yàn)前控制試件的起始溫度為22℃左右, 進(jìn)行2h 降溫試驗(yàn)。選取相應(yīng)的數(shù)據(jù)繪制溫度-埋深曲線、溫度-徑向距離曲線, 分別如圖5a、b 所示。
圖5 泄漏孔徑試驗(yàn)溫度-距離曲線Fig.5 Temperature-distance curves of C-XLKJ
充入液氮2h 后, 距離試件表面中心以下20mm 的位置, 試驗(yàn)D-50、D-100 和D-150 的溫度分別降至-84.0℃、-111.1℃和-133.3℃;180mm 處, 溫度分別降低為12.8℃、11.6℃和2.3℃。由此可知, 隨D的增大, 同一處的溫度越低, 且相同時(shí)間范圍內(nèi)溫度變化量增大。因此試驗(yàn)熱傳導(dǎo)與冷媒接觸試件表面的面積有關(guān)。此外, 隨著埋深的增加, 3 種工況下的溫度曲線呈現(xiàn)逐漸重合的趨勢(shì), 試驗(yàn)結(jié)果差異變小。圖5b中, 隨著泄漏孔徑增大, 徑向距離為0mm/50mm處溫差減小, 徑向距離為50mm/100mm 處溫差增大, 說明泄漏孔徑的增大使距離冷源近的位置受到的沖擊也大, 傳熱后影響減弱。
選取距離冷源最近測(cè)點(diǎn)TC11 的數(shù)據(jù)繪制溫度-時(shí)間曲線, 如圖6 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)初期的降溫速率受泄漏孔徑的影響很大。隨著試驗(yàn)的持續(xù)進(jìn)行, 這種影響逐漸減弱。在液氮噴灑大概50min 后, 三條降溫速率曲線幾乎達(dá)到平行。這是因?yàn)樵嚰砻嫠佑|的液氮的冷量不斷增加至某一值, 然后逐漸減小。然而此數(shù)值在不同的泄漏孔徑之間差異較小。這與文獻(xiàn)[7]中通過求解熱傳導(dǎo)逆問題(IHCP)的方法計(jì)算混凝土表面熱量分布情況的推演結(jié)果一致: 降溫后期階段混凝土表面的熱通量接近為零。
圖6 泄漏孔徑試驗(yàn)溫度-時(shí)間曲線Fig.6 Temperature-time curves of C-XLKJ
另外, 由試驗(yàn)測(cè)得試件側(cè)面總收縮位移的變化與溫度變化直接相關(guān), 基本分為前期的線性增長(zhǎng)、后期增長(zhǎng)變緩直至穩(wěn)定。降溫2h 后試驗(yàn)D-50、D-100 和D-150 的總收縮位移分別為0.062mm、0.085mm 和0.113mm, 可見, 試件溫度收縮變形隨D的增大而增大。
針對(duì)有無鋼襯、泄漏孔徑變量, 采用ABAQUS 軟件對(duì)混凝土試件溫度場(chǎng)與結(jié)構(gòu)場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)有限元分析, 并分析混凝土材料在超低溫下逆膨脹段對(duì)變形分析結(jié)果的影響。
在試驗(yàn)?zāi)P偷幕A(chǔ)上建立數(shù)值計(jì)算三維模型, 模型尺寸及結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)情況一致。利用ABAQUS 軟件劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格, 在泄漏孔徑處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn), 最終確定整體網(wǎng)格尺度為0.001m。溫度場(chǎng)模型采用DC3D8 單元, 結(jié)構(gòu)場(chǎng)模型采用C3D8R 單元,采用順序耦合法進(jìn)行求解。
對(duì)于材料參數(shù), 混凝土密度為2400kg/m3,取20℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為2W/(m·K), 超低溫下增大20%, 比熱容參考文獻(xiàn)[10]取值?;炷恋膹椥阅A坑稍囼?yàn)測(cè)得, 20℃、-40℃、-100℃時(shí)分別為27300MPa、30500MPa、48300MPa, 線膨脹系數(shù)參考文獻(xiàn)[11]取值。
對(duì)于熱力學(xué)邊界條件, 假定液氮與混凝土或鋼板之間的接觸為溫度恒定的對(duì)流邊界條件, 接觸面液氮發(fā)生相變, 取對(duì)流傳熱系數(shù)為1000W/(m2·K), 溫度保持-196.6℃; 混凝土與空氣也發(fā)生對(duì)流傳熱, 系數(shù)取為5W/(m2·K), 溫度取為室溫; 混凝土與鋼板之間采用熱接觸條件。結(jié)構(gòu)分析的邊界條件按照試驗(yàn)情況設(shè)定。
1.有無鋼襯有限元分析
有無鋼襯試驗(yàn)的有限元分析溫度分布結(jié)果如圖7 所示。從圖7a 有限元溫度場(chǎng)分析結(jié)果看,對(duì)于有鋼襯試驗(yàn)的模擬, 在設(shè)置鋼襯與混凝土之間的熱接觸后, 其溫度傳遞是不連續(xù)的, 導(dǎo)致直接傳遞至混凝土的冷量遠(yuǎn)小于無鋼襯的情況。同時(shí), 這也證明文獻(xiàn)[9]中關(guān)于有無鋼襯邊界條件的分析是合理的。
圖7 有無鋼襯試驗(yàn)有限元分析溫度分布(單位:℃)Fig.7 Temperature fields of FE analysis of C-GC(unit:℃)
以TC11、TC21、TC31 和TC41 為例, 從表4的有限元分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析來看,二者符合度較高。
表4 有無鋼襯試驗(yàn)與有限元溫度結(jié)果對(duì)比(單位:℃)Tab.4 Temperature comparisons between test data and FE results of C-GC (unit:℃)
對(duì)于GC-Y 和GC-N, 埋深20mm 處TC11 有限元值與試驗(yàn)值的溫度差分別為0.8℃、1.8℃,埋深80mm 處TC41 的溫度差分別為1.5℃、6.7℃, 相對(duì)誤差基本控制在10%以內(nèi)。誤差產(chǎn)生的原因主要有以下幾點(diǎn): PT100 芯片保護(hù)殼是有長(zhǎng)度的, 所獲溫度值實(shí)際為它的平均溫度; 預(yù)埋PT100 的位置在試件制作過程中人為存在±1mm的偏差。因此實(shí)測(cè)值會(huì)在實(shí)際值附近較小的范圍內(nèi)波動(dòng), 模擬分析值則為實(shí)際值附近范圍內(nèi)的某一值。但從整體結(jié)果來看, 有限元分析與試驗(yàn)的結(jié)果吻合程度較好。
2.泄漏孔徑有限元分析
(1)溫度。三種泄漏孔徑下有限元分析得到的溫度分布如圖8 所示??梢钥闯? 泄漏孔徑越大, 相同時(shí)間內(nèi)試件整體所受低溫作用區(qū)域越大, 且豎向傳熱快于橫向傳熱, 觀察到每個(gè)等溫面近似于一個(gè)橢球面。這與試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)的規(guī)律是一致的。
泄漏孔徑試驗(yàn)與有限元結(jié)果的數(shù)據(jù)對(duì)比見表5。對(duì)于D-50、D-100、D-150 試驗(yàn), 埋深20mm處TC11 有限元值與試驗(yàn)值的溫度差分別為2.7℃、-12.8℃、-7.3℃; 埋深80mm 處TC41有限元值與試驗(yàn)值的溫度差分別為- 0.4℃、1.8℃、2.1℃。整體而言, 大部分測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)誤差控制在10℃以內(nèi)、相對(duì)誤差控制在12%以內(nèi),有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。從有限元的分析方法來看, 液氮接觸混凝土按照溫度恒定的對(duì)流邊界條件考慮, 可以較好地模擬實(shí)際情況, 且誤差在允許范圍之內(nèi)。
圖8 不同泄漏孔徑有限元溫度分布剖面(單位:℃)Fig.8 Temperature fields of FE analysis of C-XLKJ(unit:℃)
表5 泄漏孔徑試驗(yàn)與有限元溫度結(jié)果對(duì)比(單位:℃)Tab.5 Temperature comparisons between test data and FE results of C-XLKJ (unit:℃)
(2)逆膨脹對(duì)變形的影響。當(dāng)溫度在-20℃~-30℃附近時(shí), 冰體基本填滿了混凝土中的孔隙, 隨著溫度的降低, 過冷水不斷凝結(jié), 體積逐漸膨脹, 最終使試件的收縮出現(xiàn)減緩甚至發(fā)生“逆膨脹”現(xiàn)象[11]。以D-50 試驗(yàn)為例, 通過改變線膨脹系數(shù), 在溫度場(chǎng)中考慮混凝土在-30℃~-70℃之間“逆膨脹”的影響, 將結(jié)果輸出為預(yù)定義場(chǎng), 再在結(jié)構(gòu)場(chǎng)中根據(jù)試驗(yàn)情況設(shè)定結(jié)構(gòu)荷載和邊界條件, 進(jìn)行求解得到圖9 的應(yīng)變結(jié)果。
圖9a 與圖9b 的應(yīng)變分布的區(qū)別在于, 考慮逆膨脹時(shí)冷源邊緣外側(cè)會(huì)產(chǎn)生一圈受拉區(qū), 而不考慮逆膨脹時(shí)則沒有。原因在于, 上表面混凝土處于-30℃~-70℃時(shí)線膨脹系數(shù)會(huì)大幅減小,導(dǎo)致處于該溫度部分的混凝土收縮小于其他部分混凝土, 在混凝土的變形協(xié)調(diào)過程中該部分混凝土受拉。由于混凝土受拉對(duì)試件結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析產(chǎn)生不利, 在下文變形分析中均考慮混凝土逆膨脹的影響。
(3)變形。不同泄漏孔徑下混凝土應(yīng)變分布如圖10 所示。由圖觀察到, 泄漏孔徑影響著試件整體受壓區(qū)分布。而且受壓區(qū)的峰值壓應(yīng)變也隨孔徑的增大而增大, 三者的最大壓應(yīng)變依次為580με、734με、780με, 均位于冷源中心。由逆膨脹結(jié)果可知, 混凝土的變形協(xié)調(diào)導(dǎo)致試件部分受拉現(xiàn)象隨泄漏孔徑增大而更加明顯, 靠近冷源的外邊緣受拉范圍也越大, 最大拉應(yīng)變依次為123με、147με、220με。由此, 在實(shí)際工程中,LNG 泄漏后其液面與罐壁接觸位置以上一定距離處的混凝土受拉較大, 值得關(guān)注。
圖9 考慮逆膨脹影響的有限元應(yīng)變分布Fig.9 Strain distributions of FE analysis considering the influence of inverse expansion
不同泄漏孔徑下混凝土的位移分布如圖11所示。三者有限元的位移分布結(jié)果均出現(xiàn)向內(nèi)凹陷、底部輕微膨脹的狀態(tài)。試件側(cè)面測(cè)點(diǎn)有限元位移和分別為0.025mm、0.106mm、0.133mm,與試驗(yàn)值相差4%、24%、17%。隨D的增大,位移分布結(jié)果中側(cè)邊的深藍(lán)區(qū)域越向下移, 表明發(fā)生收縮與膨脹的拐點(diǎn)位置越深。因此,LNG 泄漏后, 混凝土結(jié)構(gòu)受到的威脅主要為,不均勻的溫度場(chǎng)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部發(fā)生不同的變形。
圖10 不同泄漏孔徑有限元應(yīng)變分布Fig.10 Strain distributions of FE analysis of C-XLKJ
圖11 泄漏孔徑試驗(yàn)有限元位移分布(單位: m)Fig.11 Displacement distributions of FE analysis of C-XLKJ(unit: m)
本文針對(duì)凍融循環(huán)、有無鋼襯、泄漏孔徑三種影響因素對(duì)混凝土試件(模擬LNG 儲(chǔ)罐罐壁)進(jìn)行模擬泄漏試驗(yàn), 結(jié)合有限元分析, 獲得主要結(jié)論如下:
1.3 次凍融循環(huán)對(duì)于混凝土內(nèi)部溫度變化的影響較小; 有無鋼襯對(duì)混凝土的熱傳導(dǎo)影響顯著, 有鋼襯試驗(yàn)傳熱比無鋼襯試驗(yàn)慢; 隨泄漏孔徑越大, 相同時(shí)間內(nèi)試件溫度變化和收縮變形越快, 孔徑大小對(duì)降溫初期影響較大, 一定時(shí)間后, 其對(duì)降溫及收縮速率影響差異減小。
2.有限元分析與模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合度較高,誤差在可接受的范圍內(nèi)。泄漏工況的非線性瞬態(tài)有限元分析過程中, 低溫LNG 與混凝土的接觸按照對(duì)流邊界條件考慮, 鋼襯與混凝土之間按照存在接觸熱阻的熱接觸條件考慮, 并考慮混凝土的逆膨脹, 可更好地反映實(shí)際泄漏過程的真實(shí)性。
3.計(jì)算結(jié)果表明, 在LNG 液面與罐壁接觸位置上方一定距離處的混凝土產(chǎn)生較大的拉應(yīng)變, 不均勻的溫度場(chǎng)造成混凝土內(nèi)部發(fā)生不同的變形, 因此在實(shí)際工程中值得重點(diǎn)關(guān)注。