LNG超低溫管道應(yīng)力分析的特點(diǎn)及方法

張寅秋

摘 要：LNG超低溫管道是LNG接收站內(nèi)工藝介質(zhì)流動(dòng)和傳輸?shù)闹饕绞剑鋺?yīng)力分析對(duì)保障管道和設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。該文圍繞材料的選擇、載荷工況的設(shè)置及邊界條件的定義等方面，介紹采用CAESAR II應(yīng)力分析軟件對(duì)LNG超低溫管道進(jìn)行應(yīng)力分析的特點(diǎn)和方法。

關(guān)鍵詞：LNG管道;CAESAR II;應(yīng)力分析

中圖分類號(hào)：U664? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

LNG管道的設(shè)計(jì)溫度為-196 ℃，屬于超低溫管道，在設(shè)計(jì)時(shí)須采用計(jì)算機(jī)軟件（象CAESAR II軟件）進(jìn)行管道應(yīng)力分析。與常規(guī)管道相比，LNG管道應(yīng)力分析的不同之處主要在于：

1）LNG管道的材質(zhì)特殊，應(yīng)力計(jì)算時(shí)低溫管道材料的選擇問(wèn)題將影響應(yīng)力計(jì)算中力學(xué)參數(shù)的選擇。

2）LNG低溫管道的安全要求較高，因此在應(yīng)力分析中不僅需考慮常規(guī)的安裝、操作及熱脹工況，還需考慮因風(fēng)載荷、地震載荷、安全閥反力和水錘力等產(chǎn)生的偶然工況。

3）由于接收站低溫管網(wǎng)復(fù)雜，應(yīng)合理劃分子模型，此外，低溫管道支架、設(shè)備等邊界條件的定義方法和設(shè)置方案也需綜合考慮。

該文將針對(duì)LNG超低溫管道的以上特點(diǎn)研究管道應(yīng)力分析的方法。

1 材料的選擇

為防止LNG管道在超低溫條件下發(fā)生“冷脆”現(xiàn)象，LNG管道的材料需具有良好的低溫韌性、抗腐蝕性能、焊接性能等。目前，具有以上各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)的奧氏體不銹鋼材料在LNG低溫管道中應(yīng)用較為成熟。而尤以雙牌號(hào)不銹鋼（如304/304L）使用較為普遍，但是，在采用CAESAR II進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，材料庫(kù)中只有單獨(dú)材料（304或304L）的數(shù)據(jù)，而國(guó)內(nèi)目前缺乏雙牌號(hào)不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，無(wú)法在材料庫(kù)中自定義該材料。

由表1可以看出，304不銹鋼的屈服強(qiáng)度和許用應(yīng)力均高于304L不銹鋼的，而2種不銹鋼的彈性模量、泊松比和熱膨脹系數(shù)數(shù)值相同。由于304/304L不銹鋼的強(qiáng)度滿足304不銹鋼的要求，故應(yīng)力分析中管道材質(zhì)選擇304不銹鋼，取其力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算。

2 LNG低溫管道載荷工況的設(shè)置

管道在安裝、開(kāi)車、停車等各種情況下，可能承受的載荷包括：重力載荷、壓力載荷（包括內(nèi)壓和外壓）、位移載荷、風(fēng)載荷、地震載荷及機(jī)械振動(dòng)載荷等。接收站一般位于海邊，受風(fēng)載荷影響較大;考慮接收站的安全，設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)NFPA 59A標(biāo)準(zhǔn)的要求考慮地震載荷的影響;此外，還需考慮水錘力、安全閥泄放反力等的影響。

在管道應(yīng)力分析中可將載荷工況分為兩大類：由載荷直接組合而成的基本工況和由基本工況組合而成的組合工況。

2.1 基本工況

基本工況是根據(jù)實(shí)際需要將多個(gè)載荷進(jìn)行組合，模擬不同的冷態(tài)、熱態(tài)和偶然工況。主要包括：彈簧選型工況、水壓試驗(yàn)工況、操作工況、持續(xù)工況。

2.2 組合工況

組合工況是通過(guò)基礎(chǔ)工況的加減獲取特定的載荷要求。主要包括：膨脹工況、偶然工況（純偶然應(yīng)力）、持續(xù)工況+偶然工況、膨脹工況+偶然工況。

2.3 工況組合方法

在工況組合時(shí)，一般是將基本工況“相加”或“相減”。

CAESAR II中，工況“相加”的方法主要有：平方根合成法（SRSS）、標(biāo)量合成法（Scalar）和絕對(duì)值加和法（ABS）。

1）SRSS，平方根合成法的計(jì)算原理是將相關(guān)工況的位移、推力、應(yīng)力均采用平方和后開(kāi)方的步驟進(jìn)行合成。適用于2個(gè)工況中不同方向的力/加速度/位移的合成，象各方向地震加速度的工況組合即運(yùn)用此法將不同方向的加速度進(jìn)行組合。

2）Scalar，標(biāo)量合成法的計(jì)算原理是分別求解相關(guān)工況的應(yīng)力后再進(jìn)行疊加，不再單獨(dú)計(jì)算各工況的位移。適用于2種工況組合求取合成應(yīng)力的情況，象持續(xù)工況與純偶然外力工況組合求取一次應(yīng)力，以及熱脹工況與純偶然位移工況組合求取二次應(yīng)力。

CAESAR II中，工況“相減”的方法主要是代數(shù)合成法（Algebraic），其計(jì)算原理是分別求解相關(guān)工況的位移，進(jìn)行減運(yùn)算得到位移差，通過(guò)該位移差求解推力、彎矩和應(yīng)力。適用于求取含有非線性因素的偶然載荷的計(jì)算，象純偶然應(yīng)力工況的求取即是將考慮了偶然載荷的操作工況與正常操作工況相減。

3 邊界條件的定義

應(yīng)力分析的根本問(wèn)題就是邊界條件問(wèn)題，所謂邊界條件體現(xiàn)在工程問(wèn)題上就是指管道本體結(jié)構(gòu)以外的條件的模擬，如：支、吊、約束、限位、彈簧、外加位移、外加力與力矩等。是否真實(shí)地描述邊界條件，是管道應(yīng)力分析可以得到正確計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)，也是體現(xiàn)應(yīng)力分析技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

3.1 管道模型的劃分

由于CAESAR II節(jié)點(diǎn)有限，無(wú)法將接收站內(nèi)所有的低溫管道同時(shí)建入一個(gè)模型中，因此需對(duì)管網(wǎng)分段，建立若干子模型分別進(jìn)行分析。進(jìn)行管網(wǎng)子模型的劃分主要考慮以下幾個(gè)主要方面：

1）裝置單元區(qū)劃：盡量將屬于同一裝置區(qū)域的LNG管道建在一個(gè)模型中。

2）工藝關(guān)系：根據(jù)LNG的流向和管道連接關(guān)系，盡量將且工藝關(guān)系較緊密的管道建在一個(gè)模型中。

3）管徑：當(dāng)管道存在分支時(shí)，由于小管徑管道對(duì)大管徑管道的應(yīng)力影響有限，故可將管徑差別較大的管道分開(kāi)建模。

那么如何將各子模型間的相互影響真實(shí)反映出來(lái)呢？

1）合理選擇模型交接點(diǎn)：盡量選在設(shè)備管口處，而當(dāng)不得不在管道中間斷開(kāi)時(shí)，盡量選擇與本模型管道工藝關(guān)系較弱，距離較遠(yuǎn)或小支管處斷開(kāi)，以減少相連管系對(duì)本模型的影響。

2）通過(guò)適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件定義，帶入相鄰模型對(duì)本模型的影響。

3.2 支架的模擬

為減少低溫管道與外界的傳熱，LNG管道一般使用卡箍型管托，因此很難對(duì)管道在X、Y、Z 3個(gè)方向和RX、RY、RZ 3個(gè)角位移方向進(jìn)行完全的限制。在對(duì)LNG保冷管道管架建模時(shí)，一般是采用各方向的組合約束模擬管架對(duì)管道的支撐和限制作用，而不是完全固定。

對(duì)于LNG管架，在低溫支架的管托鋼底板安裝有聚四氟乙烯墊片，因此摩擦系數(shù)值設(shè)置為0.1，較普通的摩擦系數(shù)低。

3.3 管道斷開(kāi)點(diǎn)及設(shè)備條件的模擬

一般情況下，管系的斷開(kāi)點(diǎn)位于管道中或設(shè)備接口處，邊界條件的定義有2種方法：

1）一是定義端點(diǎn)位移，反應(yīng)出相連接管系/設(shè)備對(duì)該模型的影響。

2）二是將相連管系/設(shè)備在該模型中模擬出來(lái)，直至固定約束處。

管道應(yīng)力分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與所建模型的準(zhǔn)確性息息相關(guān)，只有真實(shí)地模擬設(shè)備的結(jié)構(gòu)、支承點(diǎn)受力情況，才能保證管口受力結(jié)果準(zhǔn)確?？捎谩疤摂M剛體”模擬設(shè)備本體結(jié)構(gòu)，用適當(dāng)?shù)募s束條件對(duì)支承點(diǎn)進(jìn)行模擬。

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