LNG超低溫管道應力分析的特點及方法

張寅秋

摘 要：LNG超低溫管道是LNG接收站內工藝介質流動和傳輸的主要方式，其應力分析對保障管道和設備安全穩定運行起著至關重要的作用。該文圍繞材料的選擇、載荷工況的設置及邊界條件的定義等方面，介紹采用CAESAR II應力分析軟件對LNG超低溫管道進行應力分析的特點和方法。

關鍵詞：LNG管道;CAESAR II;應力分析

中圖分類號：U664? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

LNG管道的設計溫度為-196 ℃，屬于超低溫管道，在設計時須采用計算機軟件（象CAESAR II軟件）進行管道應力分析。與常規管道相比，LNG管道應力分析的不同之處主要在于：

1）LNG管道的材質特殊，應力計算時低溫管道材料的選擇問題將影響應力計算中力學參數的選擇。

2）LNG低溫管道的安全要求較高，因此在應力分析中不僅需考慮常規的安裝、操作及熱脹工況，還需考慮因風載荷、地震載荷、安全閥反力和水錘力等產生的偶然工況。

3）由于接收站低溫管網復雜，應合理劃分子模型，此外，低溫管道支架、設備等邊界條件的定義方法和設置方案也需綜合考慮。

該文將針對LNG超低溫管道的以上特點研究管道應力分析的方法。

1 材料的選擇

為防止LNG管道在超低溫條件下發生“冷脆”現象，LNG管道的材料需具有良好的低溫韌性、抗腐蝕性能、焊接性能等。目前，具有以上各項優點的奧氏體不銹鋼材料在LNG低溫管道中應用較為成熟。而尤以雙牌號不銹鋼（如304/304L）使用較為普遍，但是，在采用CAESAR II進行應力分析時，材料庫中只有單獨材料（304或304L）的數據，而國內目前缺乏雙牌號不銹鋼的標準規范，無法在材料庫中自定義該材料。

由表1可以看出，304不銹鋼的屈服強度和許用應力均高于304L不銹鋼的，而2種不銹鋼的彈性模量、泊松比和熱膨脹系數數值相同。由于304/304L不銹鋼的強度滿足304不銹鋼的要求，故應力分析中管道材質選擇304不銹鋼，取其力學性能進行計算。

2 LNG低溫管道載荷工況的設置

管道在安裝、開車、停車等各種情況下，可能承受的載荷包括：重力載荷、壓力載荷（包括內壓和外壓）、位移載荷、風載荷、地震載荷及機械振動載荷等。接收站一般位于海邊，受風載荷影響較大;考慮接收站的安全，設計時需根據NFPA 59A標準的要求考慮地震載荷的影響;此外，還需考慮水錘力、安全閥泄放反力等的影響。

在管道應力分析中可將載荷工況分為兩大類：由載荷直接組合而成的基本工況和由基本工況組合而成的組合工況。

2.1 基本工況

基本工況是根據實際需要將多個載荷進行組合，模擬不同的冷態、熱態和偶然工況。主要包括：彈簧選型工況、水壓試驗工況、操作工況、持續工況。

2.2 組合工況

組合工況是通過基礎工況的加減獲取特定的載荷要求。主要包括：膨脹工況、偶然工況（純偶然應力）、持續工況+偶然工況、膨脹工況+偶然工況。

2.3 工況組合方法

在工況組合時，一般是將基本工況“相加”或“相減”。

CAESAR II中，工況“相加”的方法主要有：平方根合成法（SRSS）、標量合成法（Scalar）和絕對值加和法（ABS）。

1）SRSS，平方根合成法的計算原理是將相關工況的位移、推力、應力均采用平方和后開方的步驟進行合成。適用于2個工況中不同方向的力/加速度/位移的合成，象各方向地震加速度的工況組合即運用此法將不同方向的加速度進行組合。

2）Scalar，標量合成法的計算原理是分別求解相關工況的應力后再進行疊加，不再單獨計算各工況的位移。適用于2種工況組合求取合成應力的情況，象持續工況與純偶然外力工況組合求取一次應力，以及熱脹工況與純偶然位移工況組合求取二次應力。

CAESAR II中，工況“相減”的方法主要是代數合成法（Algebraic），其計算原理是分別求解相關工況的位移，進行減運算得到位移差，通過該位移差求解推力、彎矩和應力。適用于求取含有非線性因素的偶然載荷的計算，象純偶然應力工況的求取即是將考慮了偶然載荷的操作工況與正常操作工況相減。

3 邊界條件的定義

應力分析的根本問題就是邊界條件問題，所謂邊界條件體現在工程問題上就是指管道本體結構以外的條件的模擬，如：支、吊、約束、限位、彈簧、外加位移、外加力與力矩等。是否真實地描述邊界條件，是管道應力分析可以得到正確計算結果的基礎，也是體現應力分析技術的關鍵點之一。

3.1 管道模型的劃分

由于CAESAR II節點有限，無法將接收站內所有的低溫管道同時建入一個模型中，因此需對管網分段，建立若干子模型分別進行分析。進行管網子模型的劃分主要考慮以下幾個主要方面：

1）裝置單元區劃：盡量將屬于同一裝置區域的LNG管道建在一個模型中。

2）工藝關系：根據LNG的流向和管道連接關系，盡量將且工藝關系較緊密的管道建在一個模型中。

3）管徑：當管道存在分支時，由于小管徑管道對大管徑管道的應力影響有限，故可將管徑差別較大的管道分開建模。

那么如何將各子模型間的相互影響真實反映出來呢？

1）合理選擇模型交接點：盡量選在設備管口處，而當不得不在管道中間斷開時，盡量選擇與本模型管道工藝關系較弱，距離較遠或小支管處斷開，以減少相連管系對本模型的影響。

2）通過適當的邊界條件定義，帶入相鄰模型對本模型的影響。

3.2 支架的模擬

為減少低溫管道與外界的傳熱，LNG管道一般使用卡箍型管托，因此很難對管道在X、Y、Z 3個方向和RX、RY、RZ 3個角位移方向進行完全的限制。在對LNG保冷管道管架建模時，一般是采用各方向的組合約束模擬管架對管道的支撐和限制作用，而不是完全固定。

對于LNG管架，在低溫支架的管托鋼底板安裝有聚四氟乙烯墊片，因此摩擦系數值設置為0.1，較普通的摩擦系數低。

3.3 管道斷開點及設備條件的模擬

一般情況下，管系的斷開點位于管道中或設備接口處，邊界條件的定義有2種方法：

1）一是定義端點位移，反應出相連接管系/設備對該模型的影響。

2）二是將相連管系/設備在該模型中模擬出來，直至固定約束處。

管道應力分析結果的準確性與所建模型的準確性息息相關，只有真實地模擬設備的結構、支承點受力情況，才能保證管口受力結果準確。可用“虛擬剛體”模擬設備本體結構，用適當的約束條件對支承點進行模擬。

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