LNG管道冷應力數值模擬

龐聰利，薛大文，趙春慧

(浙江海洋大學 船舶與海運學院，浙江 舟山 316022)

天然氣作為清潔能源和化工原料，具有綠色、環保、高效的特點，其應用范圍廣泛、經濟實惠，是較為安全的燃氣之一[1]。利用天然氣作為能源，代替煤、石油的使用，可以減少近100%的二氧化硫和粉塵排放量，減少60%的二氧化碳排放量和50%的氮氧化合物排放量，從而有效減少酸雨的形成，緩解溫室效應，大大改善環境污染的問題。液化天然氣(LNG)是常壓狀態下的天然氣經壓縮冷卻至-196 ℃[2]，成為了液體狀態。天然氣液化后，其體積只有原來的1/600，從而有效節省了儲運空間。但是由于LNG必須在低溫狀態下儲存，所以其對生產過程、運輸和儲存的要求以及安全風險也相應提高[3]。其中，為適應LNG的超低溫特性，需要提前對LNG管道進行預冷作業，以完成LNG管道從常溫建造狀態到低溫運行狀態的轉變，避免冷應力對管道材料造成損傷和結構傷害[4]。

許多學者采用了數值模擬對LNG低溫管道進行應力分析，柳華鋒[5]等人對國內某公司20 000 m3LNG儲罐的進液低溫管道進行設計，并應用Caesar 5.1軟件對此管道進行應力計算分析。計算結果表明，最大一次應力出現在罐底彎頭彈簧支架處，最大二次應力出現在與儲罐連接處，管道最大位移出現在罐底彎頭處。李旭坤[6]利用ANSYS軟件建立了LNG儲罐有限元模型，并就各種情況下儲罐模型關鍵部位的熱應力場和位移場進行分析，找到了應力集中的關鍵位置。陳團海[7]等人提出基于流固耦合的LNG儲罐進料管道應力分析方法，并研究進料過程中管道最大應力的變化規律。結果表明，LNG進料過程中管道的應力變化較為復雜，最大等效應力出現先升、后降、再升、最后穩定的變化趨勢，且最大應力出現的位置隨進料時間發生變化。盧超[8]等人采用FLUENT軟件對低溫管道進行蒸發氣體(BOG，boil-off gas)預冷工藝模擬，在不同流速下，獲得了BOG預冷過程的管道溫度、熱應力等變化規律。結果表明，管道熱應力、收縮位移與預冷溫度變化、預冷流速成比例關系，為 LNG 低溫管道預冷設置熱補償、管道預冷速度、預冷參數提供了依據。陳峰[9]等人針對大型LNG接收站管道預冷作業，建立模型，從網格優化、動力松弛因子、相變模型選擇等方面進行計算控制，實現了多組分、多相、大尺度、長時間預冷多相流的快速、穩定計算。研究結果表明：①管道結構不同，管道內氣液狀態具有明顯差異；②管道位移較大點位于拐角處，應力較大值集中在三通、四通的連接位置。

根據文獻研究表明，LNG管道在使用液氮預冷作業時，三通管道的局部構件處容易出現應力最大的情況，因此本文著重研究T型三通管處應力隨溫度的變化情況，探究管道管徑、預冷流速對T型管管壁冷應力及變形的影響。

1 模型建立

1.1 問題描述

本文選取某LNG管道中T型三通管為研究對象，主管內管徑為640 mm、支管內管徑為400 mm、管壁厚為15 mm；管道材質為鋼，導熱系數為16.27 W/(m·K)；管內流體為液氮，導熱系數為0.145 81 W/(m·K)，比熱容為2 041.5 J/(kg·K)，液體密度為806.08 kg/m3，動力黏度為1.606 5×10-4kg/(m·s)。通過在AutoCAD軟件系統中進行三維建模，支管內徑為400 mm的三通管物理模型見圖1。

圖1 支管內徑為400 mm的三通管物理模型

1.2 網格劃分

CFD計算中的網格大致可以分為結構化網格和非結構化網格2大類。結構化網格生成的速度快，網格質量好，可以很容易地實現區域的邊界擬合，適合流體和表面應力集中等方面的計算，而非結構化網格主要是彌補結構化網格不能解決任意形狀的欠缺。

本文所模擬的模型和工況較簡單，因此在Workbench下的Meshing模塊進行結構化網格劃分。首先對模型的入口流體、出口流體、入口端面、出口端面、流固交界面、對稱面、外壁面等各個邊界分別進行命名。然后對T型管流體區域和固體區域進行網格劃分，抑制住固體區域，選取流體區域的壁面，插入膨脹層，并在膨脹層選項中設置第一層邊界層的厚度為2 mm，生成六面體結構化網格。同理進行固體區域的網格劃分，網格劃分效果如圖1(b)所示。

2 模擬計算結果及分析

2.1 不同支管管徑的影響

本組實驗進行仿真模擬時，采用主管內管徑為640 mm，支管內管徑分別選取400 mm、300 mm、200 mm，壁厚均為15 mm，入口速度均為2 m/s，其他參數保持不變，數值模擬后得到支管內管徑不同時的壓力分布云圖見圖2、支管內管徑不同時的管壁總變形云圖見圖3。

圖2 支管內管徑不同時的壓力分布云圖

圖3 支管內管徑不同時的管壁總變形云圖

由圖2知，支管流體流入主管后，隨著管徑的增加，相同部位的壓力大小會有所增加，并且由于支管管徑增加，進口流速不變，造成流入的流量增加，即交匯混合后流速增加。同時，可以看出速度最大值出現在兩管交匯處偏管壁的右下側；速度最小值為零，出現在交匯處靠近上管壁的右側，且隨著支管管徑的增加，范圍也逐漸增大。由圖3知，位移量較大的地方在主管與支管交匯處中心，約主管高的1/2處，并且存在一個較大的區域。表1為不同支管管徑下的位移對比，由表1可知，隨著支管管徑增加，最大位移也在不斷增加。原因是隨著管徑增加，流量增大，支管與主管的混合會更加劇烈，導致位移量增大。

表1 不同支管管徑下的位移對比 mm

2.2 不同預冷速度的影響

本組實驗進行仿真模擬時，采用主管內管徑為640 mm，支管內管徑為200 mm，管壁厚均為15 mm，對進口速度分別為0.5 m/s、2.0 m/s、4.0 m/s的T型管進行數值模擬，其他參數保持不變，數值模擬后，得到進口流速不同時的壓力分布云圖見圖4，進口流速不同時的管壁總變形云圖見圖5。

圖4 進口流速不同時的壓力分布云圖

圖5 進口流速不同時的管壁總變形云圖

由圖4知，在進口流速增加后，管間流動各點的相對壓力有著明顯的增加，并在三通管交界處出現一側壓力急劇增大，一側壓力急劇減小，甚至出現一小范圍負壓區域的情況。由圖5知，最大位移出現在支管和主管交匯處，在此處的變形明顯較大，其中最大值在主管與支管交匯處中心，約主管高1/2處。表2為不同進口速度下的最大位移對比，由表2可知，進口流速由0.5 m/s提高至2.0 m/s和4.0 m/s時，可以發現由于進口流速的增加，管內流量增大，以至于混合后的流速也相應增加，最大位移量隨著流速的增加不斷增加。

表2 不同進口速度下的位移對比

3 結束語

本文利用WORKBENCH平臺中的FLUENT以及STATIC STRUCTURAL模塊，以三通管道為主要研究對象，研究支管管徑、進口流速對三通管內壓力場和管壁處變形位移量的影響。研究結果表明：一段管道中應力、速度產生急劇變化的地方往往出現在三通管局部構件處；三通管道管壁上所受的應力與支管管徑的大小和支管進口流速有著明顯的關系。其中，管道預冷過程中產生的位移即總變形較大區域集中在主管與支管交匯的中心，即約主管高的1/2處；當支管的管徑增大時，最大變形量相應增大；當支管進口流速增大時，最大變形量也相應增大。