LNG接收站管道預冷溫度—應力模型

陳 峰 張 晨 陳銳瑩 劉永浩 王亞群 王秀華

1.中海石油氣電集團有限責任公司 2.中國石油西南油氣田公司重慶氣礦

0 引言

我國已建、在建和規劃了大量LNG接收站[1-2]。在LNG接收站運行之前，為適應LNG所具有的低溫特性，需要對LNG接收站管道開展預冷工作，以完成設備從常溫建造狀態向低溫運行狀態的轉變[3-6]。這是LNG接收站能夠順利運行的關鍵性工作之一[7-11]，需要精細的作業控制以保障該項工作的高效實施。但是，預冷會導致管道顯著的溫度轉變，施工現場需要對注氮速率等預冷工藝參數進行有效控制，以避免熱應力造成管道材料損傷和結構傷害[12-14]。

鑒于預冷工作對LNG接收站順利運行的重要性，目前國內外已開展相關研究予以指導。工程上，HYSYS、CAESAR II等工藝流程分析和結構分析軟件大量應用在LNG接收站管道預冷設計的工作中，或參考相似規模的工程實踐以指導預冷工作。但是實際作業反饋表明，此類模型的預測精度不高，如預冷氮氣的實際使用量可達到預測量的2～3倍，造成顯著的經濟損失；同時，此類模型缺乏預冷關鍵參數的細致表征，無法確定LNG接收站管道不同區域的溫度分布和流動狀態，更無法判斷管道結構應力情況，可能造成局部過冷或過熱。故該類模型在實際使用時存在經濟損失和判斷失誤等多方面問題，可能導致管道應力損傷，具有很大的風險隱患。

為有效指導預冷工作，計算流體動力學技術（Computational Fluid Dynamics，CFD）被大量采用，已有文獻廣泛利用Fluent系統針對不同設備開展了大量研究，如研究LNG卸料管道氮氣預冷溫度分布規律，探究卸料管道頂底溫差產生的原因及影響因素[15]；研究不同液氮進口流速下LNG儲罐整體溫度場，得到儲罐預冷的最佳流速，并探索LNG狀態變化及其對工藝操作的影響[16-17]；研究LNG運輸船船艙的預冷過程，獲得艙內溫度梯度和保溫層熱傳遞情況，以為預冷工作開展提供指導[18]。以上研究對于實施預冷工作有較好的指導意義，但仍存在一定的欠缺，如模型多針對單一設備，而預冷涉及管道、儲罐等多個構成部分，需要構建涵蓋各個設備的完整模型以全面反映預冷過程；同時，目前模型研究的核心在于確定預冷過程中設備空間各個位置處溫度狀態的變化，進而通過控制溫度防止出現過冷或過熱，仍未揭示由溫度變化造成的直接破壞作用——設備材料和結構的熱應力損傷，而由于該過程牽扯到復雜的預冷介質流動-設備溫度變化以及材料結構應力耦合的問題，造成此方面的研究仍處于空白。

為此，圍繞LNG接收站管道預冷工作，充分吸收和借鑒已開展的CFD預冷研究經驗，整體考慮預冷工作所涉及的各個設備，確定由預冷介質流動帶來的LNG接收站管道整體動態溫度的分布和時變情況，進而開展溫度作用下管道預冷直接破壞作用熱應力的精細描述和科學評價，構建可全面反映預冷工作過程的溫度—應力模型，并結合工程實際開展應用研究，以期為預冷工作實施提供有效的參考。

1 接收站管道預冷溫度—應力模型基礎

1.1 CFD預冷溫度模型

LNG接收站管道布局復雜、覆蓋面大，主要包括管道和儲罐兩部分，整體幾何模型如圖1所示。管道總長約1.2 km，單個儲罐容量為20×104m3。為防止降溫過快，需要逐步提升預冷強度，導致預冷工作時間可長達幾十個小時。預冷涉及復雜的氣液交互，屬于多相流分析范疇，其CFD求解穩定性差，需要精細網格和低時間步長。但是，為支持實際工程的實施，需要CFD模型能夠快速計算。

圖1 LNG接收站管道幾何模型圖

故在CFD模型建立上，需要涵蓋大計算空間、高數量網格；在求解上，需要解決多相流分析穩定性問題；在計算上，需要能夠快速完成。這之間存在明顯的矛盾，需要制訂有效的解決方案。為此，從網格劃分、計算模型選擇、求解方法上進行控制，以實現快速、穩定的計算，同時滿足工程需要和求解穩定性的要求。

為考慮整個LNG接收站管道的預冷介質流動過程，通過優選網格類型以控制網格數量，并盡可能提升網格質量?？傮w上，選用六面體網格，結合流動特征，采用管道徑向網格小尺度、管道軸向網格大尺度的方案，在充分、全面考慮邊界層傳熱的同時，大幅度降低網格數量；對于幾何結構復雜的管道連接位置，采用四面體網格，并通過網格畸變控制約束網格變形。

由此建立的網格模型，管道加上儲罐，優化后的總計網格數量為80萬，而非優化的四面體網格需要400萬；這些網格中結構化六面體網格占95%以上，此類型網格有利于CFD多相流計算中的收斂，并可提升計算速度；通過統計，網格最大畸變量≤0.6，達到網格質量優秀指標。生成CFD網格情況見圖2。

圖2 LNG接收站CFD網格模型圖

針對氣相和液相兩種預冷模式，基于FLUENT構建具有普適性的CFD預冷溫度模型。

1.1.1 氣液兩相模型

根據預冷介質的不同，氮氣氣相預冷采用組分運輸模型以精確計算氮氣和天然氣的分布[19]，同時，組分運輸模型計算少、易收斂，大步長下計算穩定性高，可有效降低計算時間。

LNG液相預冷采用VOF模型預測氣液相分布和相界面的情況，具有使用廣泛、計算穩定的特點，同時，結合揮發冷凝相變模型以確定氣液相變過程[19]，以適用于大尺度網格、長時間步長下的相變計算。

1.1.2 湍流模型

鑒于計算尺度和預冷湍流特征，選擇k-ε湍流模型以適應大尺度、高湍流計算[20]，并匹配大尺度網格。

1.1.3 環境溫度交換

為反映預冷過程中管道壁面的溫度傳遞，采用壁面方程求解近管道內壁處流體流動和傳熱，利用殼單元構建管壁、保溫層等管道本體以開展非線性傳熱模擬，從而實現預冷介質和管道之間熱量傳遞的耦合求解。

1.1.4 邊界條件

據預冷工藝參數條件，建立預冷模型的邊界條件，注入口為工藝設計隨時間變化的預冷介質注入壓力和溫度條件；出口為儲罐排空閥的環境壓力和溫度條件；管壁為由壁面溫度（厚度）、保溫層材料屬性定義的墻邊界條件。

為實現快速、穩定的計算，采取多樣的求解控制方法：

1）湍流強度和溫度突變容易讓計算發散，造成溫度和流量異常，設定計算區域溫度限值（最高為環境溫度），以方便收斂并保持計算穩定。

2）由于使用大尺度網格，造成連續性方程在網格計算中穩定性差，迭代激進，網格之間速度計算傳遞不準確，進而導致多相流組分方程計算不穩定，帶來整個計算發散，故采用低動量松弛因子（0.01）以改進收斂特性。

3）多組分、多相、大尺度、長時間多相流瞬態計算，一階迎風離散在計算動量場、多相流組分方面無法滿足，造成多相流組分偏低；采用二階迎風離散以提高計算精度，保證計算結果準確。

4）預冷低溫環境下兩相流密度差異小、相界面不明顯，利用Sharp模型計算交界面參數[21]，充分反映橫管段兩相分層和立管段段塞流情況，不同計算模型液體體積分數計算結果對比如圖3所示。

通過以上工作的實施，基于Intel(R) Xeon(R)CPU E5645，在保證計算收斂穩定、結果準確的基礎上，實現了模型計算時間和實際工藝時間4︰1的計算效能，即每4 h計算時間可預測1 h工藝變化情況，完全滿足了工程需要。

圖3 管道兩相分層和段塞流圖

1.2 有限元預冷應力模型

除考慮重力、內壓、環境載荷等一般工藝載荷，利用CFD預冷溫度模型提供的LNG接收站預冷溫度場，開發基于節點映射的溫度差值算法，實現溫度載荷從CFD模型向有限元預冷應力模型的實時同步傳遞，完成溫度模型和應力模型的耦合，以考慮由于預冷溫度變化造成的熱應力作用。

針對不同LNG接收站管道設備類型建立整體有限元模型。管道的直管、三通及彎管采用板殼網格模型，閥門采用質量單元，閥門與管道系統通過梁單元進行連接；管道保冷系統采用實體單元，加強件、加強梁等支撐件采用梁單元。采用四邊形網格結合全映射網格劃分方法構建有限元模型，以保證計算精度。生成有限元網格情況如圖4所示。

針對LNG接收站整體模型中難以考慮的管道三通、接管等部位的細節情況（如焊縫、倒角），采用子模型技術對局部可能的應力集中進行強度和疲勞分析[22]，子模型網格如圖5所示。

2 預冷溫度場分析

以某LNG接收站預冷工作為例，分析預冷溫度場情況[23-26]?；竟に嚵鞒虨椋孩俚蜏氐獨馔ㄟ^卸料壁注入，逐漸通入LNG接收站管道中，將管道逐步冷卻到-140 ℃；氮氣總注入時間為30 h，然后靜置6 h；② LNG通過卸料壁逐步增量通入氮氣預冷后的管道，將管道漸預冷到-158 ℃，LNG總注入時間為14 h；③環境溫度為10 ℃，壓力為大氣壓。

圖4 LNG接收站有限元網格模型圖

圖5 局部子模型網格圖

不同時刻氮氣預冷溫度分布情況如圖6所示。

對于管道，氮氣預冷時間1 h時，僅入口段管道溫度有變化；氮氣預冷時間6 h時，管道中部溫度有變化；氮氣預冷時間18 h時，管道中部溫度降到-90 ℃；氮氣預冷時間36 h時（氮氣預冷結束），管道溫度降到-130～-120 ℃之間，保溫層保冷效果良好。對于儲罐，管道預冷結束時，儲罐內部區域溫度降低到0～10 ℃，但儲罐穹頂區域溫度仍保持環境溫度。

LNG預冷管道液體體積分數分布情況如圖7所示。

圖6 氮氣預冷溫度分布情況圖

圖7 LNG預冷管道液體體積分布情況圖

在管道低洼段，液體位于管道底部，氣體位于上層，氣相和液相具有較明顯的分界面；在管道拐彎處，由于阻力較大，造成流體的阻塞，液相累積量比較多；在管道提升處，流體出現段塞流特征，表現為氣體和液體交替流動，阻礙了管道內液體的流動。

3 預冷應力分析

在預冷溫度模型的基礎上，開展管道結構力學分析[27-28]。當預冷完成時，LNG接收站整體模型中，管道位移如圖8所示，其中位移多發生在管道拐角位置，最大為173.306 0 mm，造成位移的主要原因為熱變形。

圖8 管道總變形云圖

預冷完成時，管道Von Mises應力如圖9所示，整個管道應力分布不均勻，應力多集中在三通、四通的連接位置，應力最大值發生在卸料臂三通主管與支管的連接處，為1 046.090 MPa。

圖9 管道局部Von Mises應力圖

根據整體模型的計算結果，三通連接處為應力集中點。在子模型中，圍繞三通進行精細建模，端口施加整體模型中計算出的截面力及力矩作為邊界條件；通過溫度模型確定局部模型中的溫度場分布，并作為后續計算的溫度載荷。三通Von Mises應力計算結果如圖10所示。

圖10 三通Von Mises應力圖

加入倒角、焊縫加厚等細節的精細描述，三通部位子模型Von Mises應力較整體模型明顯降低。圖9中，三通位置的最大應力為357 MPa，對比整體模型的1 046.09 MPa大幅降低，但是仍高于材料304不銹鋼的屈服強度（207 MPa），低于抗拉強度（517 MPa）。故在三通部位發生局部屈服，但不會斷裂。

鑒于發生了屈服，采用應力線性化對局部應力進行塑性校核。三通應力集中部位的等效應力最大值為252 MPa，小于材料抗拉強度（517 MPa）；等效塑性應變為0.18%，小于斷后伸長率（不銹鋼可達40%），確定三通僅會出現局部屈服但不會發生斷裂。

提取預冷過程中三通處的應力交變載荷，開展局部疲勞分析，其壽命云圖如圖11所示。通過疲勞分析，在當前預冷工作的條件下，三通部分的壽命大部分在108次以上，最小壽命在三通接頭倒角處，為4 555.3次，可滿足工程要求。

圖11 三通處疲勞壽命圖

4 工程應用

建立的LNG接收站管道預冷溫度—應力模型已成功應用到中海油氣電集團下屬粵東、福建、浙江、海南等多個LNG接收站管道預冷工作設計、實施工作中，模型預測數據與現場監測數據對比取得了很好的一致性，對關鍵性參數溫度的預測誤差介于3%～7%，充分反映了模型預測的高精度，結果如圖12所示。

圖12 現場監測與模型預測數據對比圖

基于該模型的預測、分析，在多方面為預冷工作的開展提供了支持，取得了顯著的經濟、安全效益：

1）對比優選預冷方案和預冷工藝參數，顯著節約預冷時間，降低氮氣用量。多個LNG接收站采用該模型進行預冷方案的對比優選，相比傳統方法取得了較好的經濟效益（表1）。

2）提前預判可能存在的預冷流動問題，避免出現安全問題。通過模型分析，發現某LNG接收站在預冷過程中卸料臂的根部閥門若長時間關閉將形成氣體流動死區，導致管道軸向溫度梯度過大造成管道變形過大。由此在預冷實施時，建議該處閥門在預冷30 h后每30 min間歇開啟以縮小軸向溫差。

3）判斷和發現接收站管道預冷工作中的結構弱點和隱患，提前進行整改?；谧冃魏蛻Ψ治?，發現某接收站在設計時局部支撐不足，造成某管道三通連接處變形過大和應力集中。由此，采取預先性防范措施，對該部位進行加固，并調整預冷溫降速率，保證管道的結構安全。

表1 模型應用經濟效益表

5 結論

1）結合CFD和有限元方法，構建LNG接收站管道預冷溫度/應力模型，實現了大計算空間、大尺度網格、復雜多相流的快速穩定計算，以及預冷介質流動溫度載荷與結構有限元模型的耦合應力分析，解決了預冷工作涉及的氣液多相流體流動及熱固結構耦合應力的問題。

2）模型可有效預測LNG接收站管道預冷關鍵參數溫度、氣液相組分在空間和時間上的變化分布規律，管道在預冷過程中整體和局部溫度變化載荷造成的變形、應力情況，充分反映了預冷時接收站管道內的整體流動過程，并揭示出設備材料和結構所受到的熱應力損傷情況。

3）現場監測數據表明模型具有良好的預測精度，現場應用表明模型可有效支持接收站管道預冷方案的設計，判斷預冷工藝流動危險區和設備結構薄弱點，滿足了工程需要，取得了顯著的經濟和安全效益，具有良好的推廣應用價值。