船用LNG輸送管道液擊效應(yīng)

CCS武漢規(guī)范研究所 鄒一麟 金全洲

LNG作為一種經(jīng)濟(jì)高效、清潔環(huán)保、安全可靠的能源，近年來迅速發(fā)展，在整個(gè)LNG產(chǎn)業(yè)鏈中，LNG的水上生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸?shù)日紦?jù)著至關(guān)重要的地位。在其中涉及的LNG設(shè)備的設(shè)計(jì)階段，管道的應(yīng)力分析必不可少，在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)需首先考慮載荷工況，其中包括由于突然停泵以及閥門關(guān)閉時(shí)引起的液擊載荷。其瞬間壓力可大大超過正常壓力，并有可能對管路產(chǎn)生破壞性影響。根據(jù)相關(guān)理論計(jì)算公式來看，該壓力與流體質(zhì)量密度密切相關(guān)，考慮到LNG密度比水小、體積壓縮模量大的物理特性，LNG運(yùn)輸管路系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的這種壓力突然增大的現(xiàn)象尤其不容忽視。

上述提到的壓力突增的現(xiàn)象即為液擊，即流體介質(zhì)在管道輸送中，由于突然停泵或者關(guān)閉閥門，流體速度發(fā)生驟然變化，由于流體的慣性作用，管道內(nèi)的壓力產(chǎn)生突然的躍升或下跌。

液擊效應(yīng)分為正壓液擊和負(fù)壓液擊，如圖1所示：

圖1 液擊效應(yīng)簡化圖

在圖1中，當(dāng)閥門突然閉合或由于某種原因管道突然堵塞時(shí)，閥門前方a處流體靜止而后閥門后方b處流體由于慣性作用持續(xù)向前移動從而形成沖擊波，對閥門附近的管壁及閥門本身造成巨大壓力并有可能產(chǎn)生破壞，此時(shí)b處的壓力為正壓。相反，由于慣性作用閥門前方a處流體持續(xù)向前運(yùn)動使管道內(nèi)部出現(xiàn)真空狀態(tài)，并造成壓力的急劇下降，此時(shí)a處的壓力為負(fù)壓。液擊效應(yīng)的發(fā)生主要基于管內(nèi)流體的慣性和可壓縮性，其產(chǎn)生的壓力波會隨著流體速度方向傳播。

在LNG船舶以及水上設(shè)備的運(yùn)行過程中，遇到緊急情況或是非正常操作下，可能會發(fā)生液擊現(xiàn)象。為了避免由于液擊效應(yīng)而發(fā)生管道破損，在管道設(shè)計(jì)階段進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，務(wù)必考慮液擊載荷。影響液擊效應(yīng)的因素有很多，包括管道的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、尺寸，以及其中流體介質(zhì)的密度、壓縮模量、流速等。

本文主要通過計(jì)算流體力學(xué)的方法對管內(nèi)液擊效應(yīng)產(chǎn)生的壓力進(jìn)行分析，以LNG作為流體介質(zhì)，考慮基于LNG獨(dú)特的物理性質(zhì)下不同作業(yè)情況的液擊壓力，為后續(xù)的應(yīng)力分析工作提供一定的計(jì)算基礎(chǔ)，并通過分析不同因素對液擊效應(yīng)強(qiáng)度的影響，給出適當(dāng)?shù)木徑獯胧?/p>

1.液擊效應(yīng)計(jì)算方法

（1） 經(jīng)典水錘理論

液擊效應(yīng)可以用經(jīng)典水錘理論進(jìn)行簡單的估算，經(jīng)典水錘理論通常假定管道足夠剛性，不考慮管道動力學(xué)效應(yīng)對流場的影響，但考慮管道彈性對壓力波的影響。假設(shè)流體無粘性，管道截面積不變，不考慮結(jié)構(gòu)的橫向運(yùn)動，摩擦水頭損失可不考慮，管道如果與水平方向無夾角，壓力波動方向速度遠(yuǎn)大于流速，則水錘控制方程可簡化為如下形式：

式中，Δp是壓力的變化量，ρ為流體質(zhì)量密度，c為聲速，ΔV為速度變化。

（2） CFD方法

經(jīng)典水錘理論只能估算一維模型，不考慮管道彎頭和尺寸等所產(chǎn)生的空間效應(yīng)，因而無法對具有空間結(jié)構(gòu)的管道進(jìn)行模擬。為了有針對性地考慮LNG管道的液擊效應(yīng)，本文采用ANSYS FLUENT15.0軟件，基于LNG物理特性定義新的介質(zhì)材料，采用簡單構(gòu)造管道對LNG管道的液擊壓力進(jìn)行模擬求解，得到管道閥門關(guān)閉瞬間（計(jì)算時(shí)取0.001s）各速度下管道壓力的軸向分布，并將所得值與上述經(jīng)典水錘公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證CFD方法的可行性，在此基礎(chǔ)上延長瞬態(tài)計(jì)算的時(shí)間步數(shù)，得到各個(gè)速度下閥門關(guān)閉后0.001s～0.01s之間閥門附近壓力變化，并進(jìn)行進(jìn)一步的分析。計(jì)算分析流程如圖2所示：

圖2 液擊效應(yīng)CFD計(jì)算流程圖

2.計(jì)算結(jié)果和相關(guān)緩解措施

將CFD和理論計(jì)算結(jié)果比較后，可驗(yàn)證CFD方法在計(jì)算液擊效應(yīng)時(shí)有一定的可行性。在管道閥門關(guān)閉瞬間，閥門附近的壓力增大值基本上和管內(nèi)LNG流速成正比，管道閥門附近的壓力在關(guān)閉瞬間達(dá)到最大值之后隨時(shí)間逐漸下降，甚至達(dá)到負(fù)壓。負(fù)壓的產(chǎn)生是由流體的慣性和可壓縮性導(dǎo)致，若不考慮管道內(nèi)壁的摩擦，閥門附近的壓力會隨時(shí)間的變化會形成壓力波的形式，其壓力峰值會因?yàn)檎承該p失而逐漸減小，直至和入口壓力相同。

在CCS《低溫管路應(yīng)力分析指南》表2.2.7所列的應(yīng)力分析主要載荷中，包含了ESD閥關(guān)閉誘發(fā)液擊力載荷，但在管道應(yīng)力分析常用的載荷組合工況中，很少考慮液擊載荷，從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，液擊壓力波動對管道的影響不容忽視。液擊效應(yīng)的影響大小主要取決于管道中LNG的流速，而LNG的流速取決于加注需求。流速越大，瞬時(shí)液擊壓力越大，壓力波動越大，對管道的損傷越大，但是過小的流速又難以滿足加注需求。因此，在管道設(shè)計(jì)階段考慮液擊效應(yīng)時(shí)，還應(yīng)增加加注需求的考慮，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的管路，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)腃FD分析。

基于上述分析，在LNG管道的設(shè)計(jì)階段和作業(yè)過程中應(yīng)注意：

（1）在進(jìn)行管道應(yīng)力分析確定載荷工況時(shí)，應(yīng)先根據(jù)實(shí)際情況確定管內(nèi)LNG流速范圍，當(dāng)流速較大時(shí)應(yīng)考慮ESD閥關(guān)閉誘發(fā)的液擊力載荷，該載荷的大小可通過CFD計(jì)算確定；

（2）結(jié)合應(yīng)力分析和CFD計(jì)算，得到各加注速率下由液擊載荷引起的管道應(yīng)力，從而根據(jù)許用應(yīng)力得到安全加注速率；

（3）當(dāng)計(jì)算得出液擊載荷對管路影響較大時(shí)，可考慮對于靠近出口閥的位置采用管道增強(qiáng)措施，或壓力釋放裝置，尤其對于容易發(fā)生液擊現(xiàn)象的位置處可增加適當(dāng)?shù)闹蝸頊p少共振現(xiàn)象的發(fā)生；

（4）當(dāng)閥門關(guān)閉后恢復(fù)加注作業(yè)時(shí)，需等管內(nèi)液體排空后再打開閥門進(jìn)行加注，并適當(dāng)控制加注速率，盡量不超過管道設(shè)計(jì)階段得到的安全加注速率。