管道弓形效應對LNG輸送管道的影響

魏 斌

（南京揚子石油化工設計工程有限公司，江蘇南京 210000）

隨著LNG 產業鏈的發展日趨完善，已經逐步形成覆蓋天然氣開采、加工、儲運、銷售等多個環節的完整體系，其中LNG 天然氣儲運處于天然氣資源流通的核心樞紐，天然氣液化處理后，經過LNG 運輸最終到達LNG 接收站，為社會提供LNG 天然氣的銷售服務，LNG 接收站的安全運行對于整個LNG 產業鏈非常重要。接收站LNG 管道，尤其LNG 卸料主管管徑較大，在預冷階段，由于注氮速度、流量、注氮點位置等因素影響，管道不僅存在軸向溫度梯度，同樣存在豎向溫度梯度。豎向溫度梯度引起管道弓形效應，造成管道支架部分脫空、部分位置應力和受力增加，嚴重時會使管道破裂。所以管道弓形效應是非常有害的，避免弓形效應很重要。

1 管道弓形效應介紹

1.1 簡介

管道弓形效應是水平管道運行中出現的一種效應，它是由大的徑向溫度梯度引起的，這種溫度梯度有可能在管壁中造成不可接受的局部熱應力，管道局部有疲勞失效的風險，并可導致管道支架和所連接設備受力過大。在這種情況下，管子會像弓一樣彎曲，因此得名弓形效應。容易發生管道弓形效應的情況如下：

（1）暴露在烈日下的不隔熱管道；

（2）輸送分層低溫流體的水平管道；

（3）有外部或內部水（冷凝水）的蒸汽管道；

（4）流動停滯造成流體分層的水平管道。

管道弓形效應問題在管道應力分析或設計書籍中很少提及。但是由于弓形效應而造成的運行困難的概率非常高，所以在設計中應妥善處理。

1.2 LNG輸送管道

發生弓形效應的管道橫截面的一部分是熱的，另一部分是冷的。在LNG 接收站，大口徑管道預冷時，管道中會部分填充LNG，管道截面的上部是熱狀態（管道在上部會膨脹），下部是冷狀態（管道在下部會收縮）。因此，這種同時的膨脹和收縮或不均勻的溫度分布將迫使管道產生弓形效應。

2 管道弓形效應分析基礎

2.1 弓形效應溫差

管道橫截面上的徑向溫差稱為弓形效應溫差。弓形效應溫差大多發生在頂部到底部這個方向上，這主要由石油化工生產中高溫氣體快速冷卻、緊急冷卻注入、冷循環、啟動液化天然氣輸送管道、快速輸送低溫液體燃料等，所產生的分層流動引發。大口徑的蒸汽管道的啟動時也可能產生弓形效應溫差。

采用Caesar II 進行應力分析，這個弓形效應溫差是需要額外輸入的。弓形效應溫差指定了管道頂部和底部之間的徑向溫差，用來計算每個溫度工況下的基本負荷。

2.2 應力分析的假設

對于應力分析，管道的弓形效應需要如下的假設：

（1）管道截面上的溫度分布是線性的，如圖1。

圖1 弓形效應的溫度分布

（2）相同的熱梯度或溫度變化適用于整個管道，不能為不同的管道指定不同的弓形效應溫差。

（3）弓形效應僅適用于水平管道，并在垂直面起作用。

2.3 弓形效應計算基礎

不考慮重力影響，弓形效應造成的變形如圖2所示。

圖2 弓形效應管道變形示意

由于弓形效應引起的管道彎曲符合下式計算：

r為曲率半徑

D為管道外徑

a為操作溫度下的熱膨脹系數

Ttop為管道頂部的溫度

Tbottom為管道底部的溫度

由于弓形效應在約束管中產生的彎矩符合下式計算：

E為管在工作溫度下的彈性模量

I為轉動慣量

操作溫度應等于（Ttop+Tbottom）/2

3 管道弓形效應應力分析

通過對廣東某LNG 接收站42”卸料管道進行弓形效應影響下的應力分析，包含LNG 管道的一次應力（支架脫空）、二次應力、支架受力以及管道位移四個方面的對比分析，來闡述管道弓形效應對大口徑LNG 卸料管道的影響。

3.1 管道建模

應力分析采用鷹圖公司CAESARII 2010版軟件，卸料管道模型總覽詳見圖3，建模基礎數據如下：

（1）幾何和材料數據。

DN1050外徑：1067mm，規格/厚度：XS/12.7mm。

腐蝕：0mm，負公差：-12.5%。

保護層：0.8mm，密度：7850kg/m3。

保溫厚度：240mm，密度：70.2kg/m3。

材料：A358-304/304L

（2）設計條件

環境溫度：38℃

最大：60℃

最小：-170℃

最大壓力：1.89MPa

水壓試驗：2.835MPa

（3）弓形效應

管道上下溫差：50℃。根據GBT 51257-2017 《液化天然氣低溫管道設計規范》管道上下部溫差不應超過50℃。

冷卻介質：氮氣。

（4）表面摩擦系數

鋼對鋼0.3

鋼對聚乙烯墊片0.2

不銹鋼至PTFE 墊板 0.1

圖3 LNG卸料管道模型總覽

3.2 結果分析

（1）管道最大二次應力對比

LNG 管道進行應力計算時所考慮的溫度為管線最低溫度和最高金屬溫度的全程熱應力范圍應予以校驗，冷介質管線考慮最高環境溫度作為安裝溫度。弓形效應產生的管道熱應力屬于二次應力，在進行管道應力分析時，弓形效應溫差應與管道全程熱應力范圍相疊加。只要管道的應力情況在符合規范所要求的二應力校核條件，弓形效應就不會造成管道和管件的失效。所以首先對管道的二次應力計算結果進行分析。

LNG 管道在受弓形效應影響時，應力最大點在node90，即在LNG 上罐管道的分支三通處，應力值為規范允許值的97.6%，其他的LNG 上罐管道的分支三通處的應力值基本上也在允許值的90%以上。

正常情況下，應力最大點在node670，即在LNG 管道膨脹彎的彎頭處，應力值為規范允許值的73%。而這時node90（即在LNG 上罐管道的分支三通處）的應力值為規范允許值的45.43%，其他的LNG 上罐管道的分支應力值基本上也在允許值的50%以下。

通過上述對比可以看出，弓形效應對LNG 卸料管道的二次應力影響較大的位置是LNG 上罐管道的分支三通處。

（2）支架受力對比

LNG 管道在受弓形效應影響時，管道支架最大受力在18t左右，出現在LNG 主管道發生路徑改變的位置。

正常情況下，管道支架最大受力在12t 左右，出現在LNG管道上罐分支處。

通過上述對比可以看出，部分管道受弓形效應影響，支架受力值變大超過50%。為保證土建專業的管道支墩設計準確，需要考慮管道弓形效應的影響。

（3）管道位移對比（支架脫空）

管道受弓形效應影響會產生彎曲，主要體現在水平主管在運行工況下的豎向位移變化，以及部分支架的脫空。

LNG 管道在受弓形效應影響時，LNG 主管脫空支架較多（脫空支架占主管支架約20%），豎向最大位移在22mm 左右。脫空支架出現在主管道端頭、π 彎以及主管道發生路徑改變的彎頭附近。

正常情況下，LNG 主管沒有脫空支架，豎向最大位移在4mm 左右。

通過上述對比可以看出，弓形效應使LNG 卸料主管支架脫空嚴重，管道位移較大的位置主要集中在管道端頭和管道發生路徑改變的彎頭附近。

（4）管道支架脫空下的一次應力校核

由于在弓形效應的影響下管道產生多處支架脫空的情況，故需要對管道支架脫空下的一次應力進行校核。經過分析計算，在模型node410（即在一處LNG 分支管道上罐的三通處）出現了一次應力超標的情況，其一次應力值為規范允許值的105.4%。

一次應力超標對于管道的安全是非常嚴重的設計失誤，所以需要調整node410附件支架的位置，并且將所有LNG 主管上罐分支管道的三通壁厚全部加厚。調整后經過再次計算，一次應力值為規范允許值的89.6%，符合規范要求。

4 結論

從輸出結果可以看出，LNG 管道在應力、支撐載荷和熱位移在弓形效應的影響下都有顯著的改變，并且對于管道正常運行來說都是不利的。在管道預冷時應嚴格按照操作規程實施，避免發生弓形效應。

在LNG 卸料管道的設計中應注意以下幾點：

1）注意優化設計LNG 上罐管道的分支三通附近的管道，防止管道應力超標。

2）注意LNG 主管道發生路徑改變的彎頭附近管道支架的受力情況。

3）注意通管道端頭和管道發生路徑改變的彎頭附近管道脫空情況。