LNG 管道過量位移的預(yù)防

屠朝輝 王富強(qiáng)

（中海福建天然氣有限責(zé)任公司，福建 莆田 351156）

0 引言

國內(nèi)LNG（液化天然氣）接收站裝置工藝管線的管材、法蘭、管件大多采用ASTM A304L，在低溫約-160℃條件下服役。一些工藝管線，包括BOG（Boil Off Gas，蒸發(fā)氣）管線，在調(diào)試和試運(yùn)行階段，會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)位移過大的情況，對操作和日常維護(hù)造成了一定的影響。通過現(xiàn)場實(shí)踐和跟蹤發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)位移不可避免，但可以有效控制。

1 管道材質(zhì)及保溫材料

ASTM A304L 為低溫耐腐蝕的奧氏體不銹鋼材料，管材內(nèi)壁與低至約-160℃的LNG 接觸，具有良好的低溫韌性，同時(shí)還具有良好的耐腐蝕性能及抗裂紋能力，以滿足較高的安全性要求。ASTM A304L的主要機(jī)械性能為：屈服強(qiáng)度δs（MPa）≥205、抗拉強(qiáng)度RM（MPa）≥520、延伸率（%）≥40、線膨脹系數(shù)α≈16.0×10-6（20～100℃時(shí)）。

管道外表被聚異氰脲酸酯和其它包扎物包裹，具有絕熱保冷的作用。聚異氰脲酸酯的主要技術(shù)參數(shù)為：導(dǎo)熱系數(shù)≤0.016 w／m°K（連續(xù)90 天處在-160℃的環(huán)境中）（按ASTM C177 設(shè)計(jì)）；密度為42±2 kg／m3；使用溫度為-200～+120℃；抗壓強(qiáng)度為280 KPa（在-165℃的條件下）（按ASTM D1621 設(shè)計(jì)）。

2 管道受力分析

2.1 結(jié)構(gòu)位移

LNG 進(jìn)入管道后，會對管道形成荷載作用，使管道產(chǎn)生內(nèi)力和變形，結(jié)構(gòu)變形引起結(jié)構(gòu)位移。管道位移一般分為線位移和角位移兩種，線位移是指結(jié)構(gòu)上點(diǎn)的移動，角位移是指桿件橫截面產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動。

2.2 產(chǎn)生位移的主要原因

產(chǎn)生位移的主要原因有3 種：①荷載作用；②溫度降低和材料收縮；③支座移動和制造誤差。各種因素對靜定結(jié)構(gòu)的影響包括：LNG荷載使靜定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力、變形、位移；溫度降低和材料收縮使靜定結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生內(nèi)力，但能產(chǎn)生變形、位移；支座移動和制造誤差使靜定結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生內(nèi)力變形，但能產(chǎn)生位移。

2.3 位移的計(jì)算方法

本文只討論線性變形體系的位移計(jì)算，計(jì)算方法為單位荷載法，其理論基礎(chǔ)為虛功原理。

由于線性變形體系和疊加原理的使用條件都為：①管道材料處于彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變之間成正比；②結(jié)構(gòu)變形微小，不影響力的作用。所以，對線性變形體系的位移計(jì)算，可以應(yīng)用疊加原理。[1]

1）LNG荷載

當(dāng)管道充滿LNG 時(shí)，LNG 會對管道形成荷載，使管道產(chǎn)生變形，對管道形成屈服影響，可用以下公式計(jì)算：

式中，F(xiàn)為單位面積上的LNG對管道形成的壓力；S為管道面積；δs′為屈服影響。

以38 inLNG 卸料管線為例，LNG 對管道形成的屈服影響δs′為0.001 1 MPa（LNG 密度取450 kg／m3），為管道屈服強(qiáng)度δs的0.000 5%，所以LNG荷載對管道的影響可以忽略不計(jì)。

2）溫度變形

剛投用的LNG管道為常溫，只能用BOG對其進(jìn)行預(yù)冷。BOG 與常溫氮?dú)饨佑|，傳遞冷量，混合冷氣下沉（如圖1 所示），與管道底部接觸，使底部開始降溫，管材出現(xiàn)不明顯收縮。而此時(shí)頂部仍然為常溫，當(dāng)頂?shù)撞繙夭钸_(dá)到一定值時(shí)，管道底部收縮逐漸明顯，橫向開始出現(xiàn)位移；溫差越大，收縮越大；收縮越大，位移越明顯。

圖1 BOG在管道中的移動方向圖

假設(shè)溫度改變沿管道長度均勻，沿管道截面高度為線性分布。因此，截面發(fā)生溫度變形后，仍保持為平面。截面的變形可分解為沿軸向的拉伸變形和截面的轉(zhuǎn)角變形（圖2）。

圖2 管道截面的微變形分解

形心軸處的溫度改變：

式中，t1、t2為管段頂、底部溫度改變值，℃；h1、h2為管段形心軸處上、下截面的高度，m；h為管段心截面高度，m。

上、下邊緣的溫度改變差值：

溫度改變引起的位移計(jì)算公式：

當(dāng)形心軸是截面對稱軸時(shí)，形心軸處的溫度改變?yōu)椋?/p>

制造誤差產(chǎn)生的位移采用剛體的虛力原理計(jì)算。碼頭38 inLNG 管道所作的位移標(biāo)識，是在支座制造放置完成后完成的，已經(jīng)不再考慮。

綜上所述，LNG 管道在預(yù)冷調(diào)試期間產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移，主要取決于管道頂?shù)撞繙囟雀淖冎詈凸艿垒S線上的溫度改變。

3 LNG管道發(fā)生位移的危害

3.1 使管道發(fā)生不規(guī)則形變，承壓能力發(fā)生改變

3.2 管道位移，改變了表面附屬檢測元件的位置，影響檢測精度

溫度傳感器的感溫元件，由傳動軟管夾子固定在管道外表面。管道發(fā)生不規(guī)則位移，夾子松緊度就會發(fā)生變化，導(dǎo)致感溫元件與管道的貼合度降低，影響檢測的準(zhǔn)確度。

3.3 破壞了現(xiàn)有保溫材料，影響絕熱保冷效果

聚異氰脲酸酯的抗壓強(qiáng)度為280KPa（在-165℃的條件下），僅為38 in LNG 管道的抗拉強(qiáng)度（RM ≥520 MPa）的0.05%。當(dāng)管道發(fā)生位移受擠壓后，聚異氰脲酸酯就很容易破裂，影響絕熱保冷效果。

3.4 管道移位，改變了原來的走向，影響操作

管道受頂?shù)撞繙夭钸^大影響而發(fā)生較大的形變，除縱向發(fā)生移動外，橫向也會發(fā)生移動，對周圍管道和設(shè)施造成影響，同時(shí)也影響操作。

4 預(yù)防措施

4.1 控制預(yù)冷速度，減小管道頂?shù)撞繙夭?/h3>

根據(jù)公式Δτ＝∑αt0ωN±αΔtωM／h得知，LNG管道的線脹系數(shù)α管道高度h為定值，軸力圖面積ωN和彎矩圖面積ωM隨管道頂?shù)撞康臏囟炔钭兓兓?。控制預(yù)冷速度，減小管道頂?shù)撞繙夭睿湍苡行У販p少管道位移。

LNG 管路通常采用奧氏體不銹鋼材料。奧氏體不銹鋼具有優(yōu)異的低溫性能，但線膨脹系數(shù)較大。在LNG 溫度條件下，不銹鋼收縮率約為3‰，對于304 L 材質(zhì)管路，在工作溫度約為-160℃時(shí)，100m管路大約收縮300 mm。因此在設(shè)計(jì)時(shí)要采取措施，防止出現(xiàn)冷收縮引起的破壞。預(yù)冷時(shí)儲罐和管道溫度要逐步降低，應(yīng)先氣后液，防止溫度驟降對設(shè)備和管件造成損傷。冷卻速率控制在50℃／h左右，比較安全[2]。

國內(nèi)典型新建LNG 接收站投用直徑大于或等于10 in的LNG管路前，持續(xù)用BOG以-10℃／h的冷卻速率進(jìn)行預(yù)冷；同一溫度監(jiān)測點(diǎn)，最大頂?shù)撞抗芫€溫差為50℃。對于直徑小于10 in的LNG管線，只要條件允許，預(yù)冷速度也盡量控制在50℃／h以內(nèi)。

4.2 對于經(jīng)常使用的LNG管道，注意保冷

對于經(jīng)常使用的LNG 管道，注意建立循環(huán)保冷，使其長期處于冷態(tài)，隨時(shí)可以進(jìn)行LNG 流通，減少溫度改變引起的管道變形和位移。例如碼頭循環(huán)、高壓返回和槽車返回管線等。

4.3 加強(qiáng)保冷材料的安裝

聚異氰脲酸酯的導(dǎo)熱系數(shù)≤0.016 w／m°K（連續(xù)90 天處在-160℃的環(huán)境中）。根據(jù)熱流量計(jì)算公式，當(dāng)微元單位厚度一定時(shí)，傳熱面積和溫差越小，熱流量就越小。加強(qiáng)保冷材料的安裝，盡量控制保冷材料內(nèi)外溫差，減小傳熱面積，就能減少熱量傳入，避免局部溫度變化，引起管道局部變形和位移。

4.4 減小支座制造誤差，控制支座移動

管道支座在制造過程中，若存在誤差，就會形成軸力、剪力和彎矩，從而使管道形成軸向變形、彎曲變形和剪切變形。在管道支座制造過程中，應(yīng)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，盡量減少設(shè)計(jì)和制作誤差，控制支座移動。

［1］王煥定，祁皚.結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［2］高瑞均.LNG 站預(yù)冷技術(shù)初探［J］.科技信息，2008（9）：42.