一种用于研究低温泄漏下液化天然气（LNG）储罐演变行为的微观/介观多物理场仿真方法

《Energy》：A Micro/Meso-level Multiphysics Simulation Method for the Evolution Behavior of LNG Storage Tanks under Cryogenic Leakage

液化天然气储罐超低温环境下多物理场耦合损伤机制及数值模拟方法研究。提出基于周期性动力学的多尺度耦合模型，验证低温脆性断裂、孔隙水结冰效应及裂纹扩展规律，揭示关键风险区域形成机理。

　　
液化天然气（LNG）储罐作为能源基础设施的核心组件，其安全性直接关系到能源供应与环境安全。随着全球液化天然气贸易量的年均增长达6%，极端低温环境下储罐结构的性能退化问题日益突出。本研究针对-162℃超低温储存条件引发的混凝土材料脆性断裂、相变耦合水力损伤等关键问题，构建了多物理场耦合的微/介观级仿真体系，为低温储罐安全评估提供了创新解决方案。

一、研究背景与核心问题
LNG储罐作为高压低温密闭容器，其混凝土结构长期暴露于-162℃至常温的极端热循环环境。传统设计规范主要针对常温或温和温差工况，对超低温脆性断裂、冰晶相变应力、孔隙水压耦合损伤等复杂机制缺乏系统性认知。据统计，全球LNG储罐在运营期间约15%的失效事故源于低温环境诱发的结构损伤，其中2020年墨西哥湾LNG储罐泄漏事故导致约2.3万吨LNG泄漏，直接经济损失达5.8亿美元，凸显了低温环境下的安全评估需求。

二、创新性方法体系构建
研究团队突破传统连续介质力学框架，创新性地融合了三个关键技术维度：
1. 相变热力学耦合模型：建立温度梯度驱动的孔隙水相变动力学方程，揭示冰晶形成速率与孔隙结构演变的关系。通过实验数据拟合得到不同粒径孔隙的相变启动温度阈值，发现纳米级孔隙（<50nm）相变温度较常规孔隙低8-12℃。
2. 多尺度损伤演化机制：开发基于扩展Peridynamics（PD）的微/介观级仿真平台，实现从原子尺度（C-S-H凝胶链断裂）到宏观结构（裂缝扩展）的全尺度映射。特别针对混凝土多孔介质特性，构建了包含孔隙分形维度、冰晶取向度、微裂缝拓扑结构的四维状态参数体系。
3. 多物理场耦合算法：创新性地将热传导方程、水力传输方程与损伤力学进行统一建模，开发了具有自主知识产权的耦合求解器。该算法采用非局部积分形式处理材料异质性，成功将传统有限元方法的网格离散误差从18%降低至5%以下。

三、关键实验验证与数据特征
研究团队通过系列低温环境实验建立了验证基准：
1. 低温力学性能测试：在-80℃至20℃范围内进行混凝土抗压、抗折强度测试，发现当温度低于-60℃时，混凝土脆性系数从0.32提升至0.89，抗压强度下降速率达0.38MPa/℃。
2. 冰晶相变动力学研究：利用原位CT扫描技术捕捉孔隙冰晶形成过程，发现当水饱和度超过85%时，冰晶生长速率呈指数级上升（Q=0.023T^-1.8，T为绝对温度）。
3. 裂缝扩展实验：通过慢速拉伸试验观察到，在-120℃条件下，混凝土试件出现"阶梯状"断裂特征，裂纹扩展角达47°，显著区别于常温条件下的38°扩展角。

四、核心仿真结果与工程启示
1. 材料性能退化规律：通过2000次循环加载模拟，揭示混凝土在-162℃环境下的强度衰减呈现三阶段特征：
- 初始阶段（<50次循环）：抗压强度年衰减率约3.2%
- 加速阶段（50-200次循环）：强度年衰减率激增至8.7%
- 平稳阶段（>200次循环）：年衰减率稳定在4.1%-5.3%区间

2. 泄漏场景热力耦合效应：建立包含LNG泄漏量、环境传热系数、孔隙水饱和度的动态耦合模型，预测典型泄漏工况下：
- 热穿透深度达0.57m/天，在储罐混凝土墙体内形成连续传热通道
- 完全冻结时间与泄漏量呈负相关，当泄漏量超过3kg/s时，冻结时间缩短至1.8天
- 风险区域识别：LNG喷溅区（温度梯度>12℃/mm）、孔隙簇集中区（等效渗透率>1.2×10^-7m/s）、环形基础带（应力集中系数达2.3）

3. 损伤演化特征：PD仿真揭示混凝土在-80℃至20℃区间呈现差异化损伤模式：
- 低温脆性区（<-60℃）：损伤扩展呈现"应力释放-瞬时断裂"特征，裂纹间距从常温的28mm骤减至12mm
- 相变强化区（-60℃至-20℃）：冰晶填充孔隙率达65%时，抗压强度提升18%-22%
- 自愈合临界区（<-50℃）：当水饱和度>75%时，孔隙水结冰引发0.3-0.5MPa负压，导致微裂缝扩展

五、工程应用价值与实施路径
1. 设计优化指导：建立基于多物理场耦合的混凝土性能退化预测模型，可指导：
- 材料配比优化：水胶比控制在0.4-0.6时，脆性系数下降率降低40%
- 智能监测部署：在-60℃以下关键区域部署分布式光纤传感器，实现裂缝扩展速率监测（精度±0.05mm/天）
- 维护策略制定：预测显示，每10年进行一次深层修复可使结构寿命延长至80年以上

2. 安全评估体系升级：
- 开发包含5个一级指标、18个二级指标、67个三级参数的评估模型
- 建立风险矩阵（R=α·β·γ），其中α为材料脆性系数，β为水力渗透系数，γ为温度梯度系数
- 实现全生命周期管理，预测不同工况下储罐剩余寿命（RUL）置信区间达92%

3. 关键技术突破：
- 创新提出"双阶段冻结"理论：在初始快速冻结（<24h）后，进入次生冻结阶段（24-72h），该阶段裂缝扩展速率提升3-5倍
- 开发智能预警算法：基于LSTM神经网络和热力耦合模型，预测精度达89.7%，较传统方法提升37个百分点
- 建立标准测试规程：包含温度循环速率（建议≤0.5℃/min）、保载时间（≥72h）、加载路径（0.2-0.5应变率）等12项核心参数

六、行业影响与发展趋势
该研究成果已应用于三个实际工程案例：
1. 深圳LNG接收站改造工程：通过仿真优化混凝土保护层厚度（从150mm增至220mm），使-50℃环境下抗裂性能提升62%
2. 青岛低温储罐群扩建项目：采用智能监测系统，实现泄漏事故提前48小时预警，避免潜在经济损失超2亿元
3. 纳米改性混凝土应用：掺入5%纳米二氧化硅后，-120℃条件下的断裂韧性提升至3.8MPa·m1/2，达到国际先进水平

未来发展方向包括：
1. 数字孪生系统构建：融合BIM与PD仿真，实现储罐全生命周期数字映射
2. 自修复材料研发：在C-S-H凝胶中引入石墨烯量子点（GQDs），使微裂缝自愈合速率提升至0.15mm/天
3. 复杂工况模拟：开发考虑地震荷载（峰值加速度0.3g）、海啸冲击（水位上升2m/h）的多灾害耦合模型

该研究不仅填补了低温混凝土结构安全评估的理论空白，更建立了具有国际领先水平的工程应用范式。通过多尺度耦合建模与智能算法融合，为全球超低温能源基础设施的安全运营提供了关键技术支撑，预计可使LNG储罐设计寿命从50年延长至70-80年，年维护成本降低约35%。研究过程中形成的12项国家标准化建议（2023-2025）已纳入《低温储罐结构设计规范》修订计划，对推动行业技术升级具有重要实践价值。