LNG接收站管道預(yù)冷溫度—應(yīng)力模型

陳 峰 張 晨 陳銳瑩 劉永浩 王亞群 王秀華

1.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 2.中國石油西南油氣田公司重慶氣礦

0 引言

我國已建、在建和規(guī)劃了大量LNG接收站[1-2]。在LNG接收站運(yùn)行之前，為適應(yīng)LNG所具有的低溫特性，需要對LNG接收站管道開展預(yù)冷工作，以完成設(shè)備從常溫建造狀態(tài)向低溫運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)變[3-6]。這是LNG接收站能夠順利運(yùn)行的關(guān)鍵性工作之一[7-11]，需要精細(xì)的作業(yè)控制以保障該項(xiàng)工作的高效實(shí)施。但是，預(yù)冷會(huì)導(dǎo)致管道顯著的溫度轉(zhuǎn)變，施工現(xiàn)場需要對注氮速率等預(yù)冷工藝參數(shù)進(jìn)行有效控制，以避免熱應(yīng)力造成管道材料損傷和結(jié)構(gòu)傷害[12-14]。

鑒于預(yù)冷工作對LNG接收站順利運(yùn)行的重要性，目前國內(nèi)外已開展相關(guān)研究予以指導(dǎo)。工程上，HYSYS、CAESAR II等工藝流程分析和結(jié)構(gòu)分析軟件大量應(yīng)用在LNG接收站管道預(yù)冷設(shè)計(jì)的工作中，或參考相似規(guī)模的工程實(shí)踐以指導(dǎo)預(yù)冷工作。但是實(shí)際作業(yè)反饋表明，此類模型的預(yù)測精度不高，如預(yù)冷氮?dú)獾膶?shí)際使用量可達(dá)到預(yù)測量的2～3倍，造成顯著的經(jīng)濟(jì)損失；同時(shí)，此類模型缺乏預(yù)冷關(guān)鍵參數(shù)的細(xì)致表征，無法確定LNG接收站管道不同區(qū)域的溫度分布和流動(dòng)狀態(tài)，更無法判斷管道結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況，可能造成局部過冷或過熱。故該類模型在實(shí)際使用時(shí)存在經(jīng)濟(jì)損失和判斷失誤等多方面問題，可能導(dǎo)致管道應(yīng)力損傷，具有很大的風(fēng)險(xiǎn)隱患。

為有效指導(dǎo)預(yù)冷工作，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)（Computational Fluid Dynamics，CFD）被大量采用，已有文獻(xiàn)廣泛利用Fluent系統(tǒng)針對不同設(shè)備開展了大量研究，如研究LNG卸料管道氮?dú)忸A(yù)冷溫度分布規(guī)律，探究卸料管道頂?shù)诇夭町a(chǎn)生的原因及影響因素[15]；研究不同液氮進(jìn)口流速下LNG儲罐整體溫度場，得到儲罐預(yù)冷的最佳流速，并探索LNG狀態(tài)變化及其對工藝操作的影響[16-17]；研究LNG運(yùn)輸船船艙的預(yù)冷過程，獲得艙內(nèi)溫度梯度和保溫層熱傳遞情況，以為預(yù)冷工作開展提供指導(dǎo)[18]。以上研究對于實(shí)施預(yù)冷工作有較好的指導(dǎo)意義，但仍存在一定的欠缺，如模型多針對單一設(shè)備，而預(yù)冷涉及管道、儲罐等多個(gè)構(gòu)成部分，需要構(gòu)建涵蓋各個(gè)設(shè)備的完整模型以全面反映預(yù)冷過程；同時(shí)，目前模型研究的核心在于確定預(yù)冷過程中設(shè)備空間各個(gè)位置處溫度狀態(tài)的變化，進(jìn)而通過控制溫度防止出現(xiàn)過冷或過熱，仍未揭示由溫度變化造成的直接破壞作用——設(shè)備材料和結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力損傷，而由于該過程牽扯到復(fù)雜的預(yù)冷介質(zhì)流動(dòng)-設(shè)備溫度變化以及材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力耦合的問題，造成此方面的研究仍處于空白。

為此，圍繞LNG接收站管道預(yù)冷工作，充分吸收和借鑒已開展的CFD預(yù)冷研究經(jīng)驗(yàn)，整體考慮預(yù)冷工作所涉及的各個(gè)設(shè)備，確定由預(yù)冷介質(zhì)流動(dòng)帶來的LNG接收站管道整體動(dòng)態(tài)溫度的分布和時(shí)變情況，進(jìn)而開展溫度作用下管道預(yù)冷直接破壞作用熱應(yīng)力的精細(xì)描述和科學(xué)評價(jià)，構(gòu)建可全面反映預(yù)冷工作過程的溫度—應(yīng)力模型，并結(jié)合工程實(shí)際開展應(yīng)用研究，以期為預(yù)冷工作實(shí)施提供有效的參考。

1 接收站管道預(yù)冷溫度—應(yīng)力模型基礎(chǔ)

1.1 CFD預(yù)冷溫度模型

LNG接收站管道布局復(fù)雜、覆蓋面大，主要包括管道和儲罐兩部分，整體幾何模型如圖1所示。管道總長約1.2 km，單個(gè)儲罐容量為20×104m3。為防止降溫過快，需要逐步提升預(yù)冷強(qiáng)度，導(dǎo)致預(yù)冷工作時(shí)間可長達(dá)幾十個(gè)小時(shí)。預(yù)冷涉及復(fù)雜的氣液交互，屬于多相流分析范疇，其CFD求解穩(wěn)定性差，需要精細(xì)網(wǎng)格和低時(shí)間步長。但是，為支持實(shí)際工程的實(shí)施，需要CFD模型能夠快速計(jì)算。

圖1 LNG接收站管道幾何模型圖

故在CFD模型建立上，需要涵蓋大計(jì)算空間、高數(shù)量網(wǎng)格；在求解上，需要解決多相流分析穩(wěn)定性問題；在計(jì)算上，需要能夠快速完成。這之間存在明顯的矛盾，需要制訂有效的解決方案。為此，從網(wǎng)格劃分、計(jì)算模型選擇、求解方法上進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定的計(jì)算，同時(shí)滿足工程需要和求解穩(wěn)定性的要求。

為考慮整個(gè)LNG接收站管道的預(yù)冷介質(zhì)流動(dòng)過程，通過優(yōu)選網(wǎng)格類型以控制網(wǎng)格數(shù)量，并盡可能提升網(wǎng)格質(zhì)量?？傮w上，選用六面體網(wǎng)格，結(jié)合流動(dòng)特征，采用管道徑向網(wǎng)格小尺度、管道軸向網(wǎng)格大尺度的方案，在充分、全面考慮邊界層傳熱的同時(shí)，大幅度降低網(wǎng)格數(shù)量；對于幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的管道連接位置，采用四面體網(wǎng)格，并通過網(wǎng)格畸變控制約束網(wǎng)格變形。

由此建立的網(wǎng)格模型，管道加上儲罐，優(yōu)化后的總計(jì)網(wǎng)格數(shù)量為80萬，而非優(yōu)化的四面體網(wǎng)格需要400萬；這些網(wǎng)格中結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格占95%以上，此類型網(wǎng)格有利于CFD多相流計(jì)算中的收斂，并可提升計(jì)算速度；通過統(tǒng)計(jì)，網(wǎng)格最大畸變量≤0.6，達(dá)到網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)秀指標(biāo)。生成CFD網(wǎng)格情況見圖2。

圖2 LNG接收站CFD網(wǎng)格模型圖

針對氣相和液相兩種預(yù)冷模式，基于FLUENT構(gòu)建具有普適性的CFD預(yù)冷溫度模型。

1.1.1 氣液兩相模型

根據(jù)預(yù)冷介質(zhì)的不同，氮?dú)鈿庀囝A(yù)冷采用組分運(yùn)輸模型以精確計(jì)算氮?dú)夂吞烊粴獾姆植糩19]，同時(shí)，組分運(yùn)輸模型計(jì)算少、易收斂，大步長下計(jì)算穩(wěn)定性高，可有效降低計(jì)算時(shí)間。

LNG液相預(yù)冷采用VOF模型預(yù)測氣液相分布和相界面的情況，具有使用廣泛、計(jì)算穩(wěn)定的特點(diǎn)，同時(shí)，結(jié)合揮發(fā)冷凝相變模型以確定氣液相變過程[19]，以適用于大尺度網(wǎng)格、長時(shí)間步長下的相變計(jì)算。

1.1.2 湍流模型

鑒于計(jì)算尺度和預(yù)冷湍流特征，選擇k-ε湍流模型以適應(yīng)大尺度、高湍流計(jì)算[20]，并匹配大尺度網(wǎng)格。

1.1.3 環(huán)境溫度交換

為反映預(yù)冷過程中管道壁面的溫度傳遞，采用壁面方程求解近管道內(nèi)壁處流體流動(dòng)和傳熱，利用殼單元構(gòu)建管壁、保溫層等管道本體以開展非線性傳熱模擬，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)冷介質(zhì)和管道之間熱量傳遞的耦合求解。

1.1.4 邊界條件

據(jù)預(yù)冷工藝參數(shù)條件，建立預(yù)冷模型的邊界條件，注入口為工藝設(shè)計(jì)隨時(shí)間變化的預(yù)冷介質(zhì)注入壓力和溫度條件；出口為儲罐排空閥的環(huán)境壓力和溫度條件；管壁為由壁面溫度（厚度）、保溫層材料屬性定義的墻邊界條件。

為實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定的計(jì)算，采取多樣的求解控制方法：

1）湍流強(qiáng)度和溫度突變?nèi)菀鬃層?jì)算發(fā)散，造成溫度和流量異常，設(shè)定計(jì)算區(qū)域溫度限值（最高為環(huán)境溫度），以方便收斂并保持計(jì)算穩(wěn)定。

2）由于使用大尺度網(wǎng)格，造成連續(xù)性方程在網(wǎng)格計(jì)算中穩(wěn)定性差，迭代激進(jìn)，網(wǎng)格之間速度計(jì)算傳遞不準(zhǔn)確，進(jìn)而導(dǎo)致多相流組分方程計(jì)算不穩(wěn)定，帶來整個(gè)計(jì)算發(fā)散，故采用低動(dòng)量松弛因子（0.01）以改進(jìn)收斂特性。

3）多組分、多相、大尺度、長時(shí)間多相流瞬態(tài)計(jì)算，一階迎風(fēng)離散在計(jì)算動(dòng)量場、多相流組分方面無法滿足，造成多相流組分偏低；采用二階迎風(fēng)離散以提高計(jì)算精度，保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。

4）預(yù)冷低溫環(huán)境下兩相流密度差異小、相界面不明顯，利用Sharp模型計(jì)算交界面參數(shù)[21]，充分反映橫管段兩相分層和立管段段塞流情況，不同計(jì)算模型液體體積分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果對比如圖3所示。

通過以上工作的實(shí)施，基于Intel(R) Xeon(R)CPU E5645，在保證計(jì)算收斂穩(wěn)定、結(jié)果準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了模型計(jì)算時(shí)間和實(shí)際工藝時(shí)間4︰1的計(jì)算效能，即每4 h計(jì)算時(shí)間可預(yù)測1 h工藝變化情況，完全滿足了工程需要。

圖3 管道兩相分層和段塞流圖

1.2 有限元預(yù)冷應(yīng)力模型

除考慮重力、內(nèi)壓、環(huán)境載荷等一般工藝載荷，利用CFD預(yù)冷溫度模型提供的LNG接收站預(yù)冷溫度場，開發(fā)基于節(jié)點(diǎn)映射的溫度差值算法，實(shí)現(xiàn)溫度載荷從CFD模型向有限元預(yù)冷應(yīng)力模型的實(shí)時(shí)同步傳遞，完成溫度模型和應(yīng)力模型的耦合，以考慮由于預(yù)冷溫度變化造成的熱應(yīng)力作用。

針對不同LNG接收站管道設(shè)備類型建立整體有限元模型。管道的直管、三通及彎管采用板殼網(wǎng)格模型，閥門采用質(zhì)量單元，閥門與管道系統(tǒng)通過梁單元進(jìn)行連接；管道保冷系統(tǒng)采用實(shí)體單元，加強(qiáng)件、加強(qiáng)梁等支撐件采用梁單元。采用四邊形網(wǎng)格結(jié)合全映射網(wǎng)格劃分方法構(gòu)建有限元模型，以保證計(jì)算精度。生成有限元網(wǎng)格情況如圖4所示。

針對LNG接收站整體模型中難以考慮的管道三通、接管等部位的細(xì)節(jié)情況（如焊縫、倒角），采用子模型技術(shù)對局部可能的應(yīng)力集中進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞分析[22]，子模型網(wǎng)格如圖5所示。

2 預(yù)冷溫度場分析

以某LNG接收站預(yù)冷工作為例，分析預(yù)冷溫度場情況[23-26]?；竟に嚵鞒虨椋孩俚蜏氐?dú)馔ㄟ^卸料壁注入，逐漸通入LNG接收站管道中，將管道逐步冷卻到-140 ℃；氮?dú)饪傋⑷霑r(shí)間為30 h，然后靜置6 h；② LNG通過卸料壁逐步增量通入氮?dú)忸A(yù)冷后的管道，將管道漸預(yù)冷到-158 ℃，LNG總注入時(shí)間為14 h；③環(huán)境溫度為10 ℃，壓力為大氣壓。

圖4 LNG接收站有限元網(wǎng)格模型圖

圖5 局部子模型網(wǎng)格圖

不同時(shí)刻氮?dú)忸A(yù)冷溫度分布情況如圖6所示。

對于管道，氮?dú)忸A(yù)冷時(shí)間1 h時(shí)，僅入口段管道溫度有變化；氮?dú)忸A(yù)冷時(shí)間6 h時(shí)，管道中部溫度有變化；氮?dú)忸A(yù)冷時(shí)間18 h時(shí)，管道中部溫度降到-90 ℃；氮?dú)忸A(yù)冷時(shí)間36 h時(shí)（氮?dú)忸A(yù)冷結(jié)束），管道溫度降到-130～-120 ℃之間，保溫層保冷效果良好。對于儲罐，管道預(yù)冷結(jié)束時(shí)，儲罐內(nèi)部區(qū)域溫度降低到0～10 ℃，但儲罐穹頂區(qū)域溫度仍保持環(huán)境溫度。

LNG預(yù)冷管道液體體積分?jǐn)?shù)分布情況如圖7所示。

圖6 氮?dú)忸A(yù)冷溫度分布情況圖

圖7 LNG預(yù)冷管道液體體積分布情況圖

在管道低洼段，液體位于管道底部，氣體位于上層，氣相和液相具有較明顯的分界面；在管道拐彎處，由于阻力較大，造成流體的阻塞，液相累積量比較多；在管道提升處，流體出現(xiàn)段塞流特征，表現(xiàn)為氣體和液體交替流動(dòng)，阻礙了管道內(nèi)液體的流動(dòng)。

3 預(yù)冷應(yīng)力分析

在預(yù)冷溫度模型的基礎(chǔ)上，開展管道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析[27-28]。當(dāng)預(yù)冷完成時(shí)，LNG接收站整體模型中，管道位移如圖8所示，其中位移多發(fā)生在管道拐角位置，最大為173.306 0 mm，造成位移的主要原因?yàn)闊嶙冃巍?/p>

圖8 管道總變形云圖

預(yù)冷完成時(shí)，管道Von Mises應(yīng)力如圖9所示，整個(gè)管道應(yīng)力分布不均勻，應(yīng)力多集中在三通、四通的連接位置，應(yīng)力最大值發(fā)生在卸料臂三通主管與支管的連接處，為1 046.090 MPa。

圖9 管道局部Von Mises應(yīng)力圖

根據(jù)整體模型的計(jì)算結(jié)果，三通連接處為應(yīng)力集中點(diǎn)。在子模型中，圍繞三通進(jìn)行精細(xì)建模，端口施加整體模型中計(jì)算出的截面力及力矩作為邊界條件；通過溫度模型確定局部模型中的溫度場分布，并作為后續(xù)計(jì)算的溫度載荷。三通Von Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 三通Von Mises應(yīng)力圖

加入倒角、焊縫加厚等細(xì)節(jié)的精細(xì)描述，三通部位子模型Von Mises應(yīng)力較整體模型明顯降低。圖9中，三通位置的最大應(yīng)力為357 MPa，對比整體模型的1 046.09 MPa大幅降低，但是仍高于材料304不銹鋼的屈服強(qiáng)度（207 MPa），低于抗拉強(qiáng)度（517 MPa）。故在三通部位發(fā)生局部屈服，但不會(huì)斷裂。

鑒于發(fā)生了屈服，采用應(yīng)力線性化對局部應(yīng)力進(jìn)行塑性校核。三通應(yīng)力集中部位的等效應(yīng)力最大值為252 MPa，小于材料抗拉強(qiáng)度（517 MPa）；等效塑性應(yīng)變?yōu)?.18%，小于斷后伸長率（不銹鋼可達(dá)40%），確定三通僅會(huì)出現(xiàn)局部屈服但不會(huì)發(fā)生斷裂。

提取預(yù)冷過程中三通處的應(yīng)力交變載荷，開展局部疲勞分析，其壽命云圖如圖11所示。通過疲勞分析，在當(dāng)前預(yù)冷工作的條件下，三通部分的壽命大部分在108次以上，最小壽命在三通接頭倒角處，為4 555.3次，可滿足工程要求。

圖11 三通處疲勞壽命圖

4 工程應(yīng)用

建立的LNG接收站管道預(yù)冷溫度—應(yīng)力模型已成功應(yīng)用到中海油氣電集團(tuán)下屬粵東、福建、浙江、海南等多個(gè)LNG接收站管道預(yù)冷工作設(shè)計(jì)、實(shí)施工作中，模型預(yù)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比取得了很好的一致性，對關(guān)鍵性參數(shù)溫度的預(yù)測誤差介于3%～7%，充分反映了模型預(yù)測的高精度，結(jié)果如圖12所示。

圖12 現(xiàn)場監(jiān)測與模型預(yù)測數(shù)據(jù)對比圖

基于該模型的預(yù)測、分析，在多方面為預(yù)冷工作的開展提供了支持，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、安全效益：

1）對比優(yōu)選預(yù)冷方案和預(yù)冷工藝參數(shù)，顯著節(jié)約預(yù)冷時(shí)間，降低氮?dú)庥昧俊６鄠€(gè)LNG接收站采用該模型進(jìn)行預(yù)冷方案的對比優(yōu)選，相比傳統(tǒng)方法取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益（表1）。

2）提前預(yù)判可能存在的預(yù)冷流動(dòng)問題，避免出現(xiàn)安全問題。通過模型分析，發(fā)現(xiàn)某LNG接收站在預(yù)冷過程中卸料臂的根部閥門若長時(shí)間關(guān)閉將形成氣體流動(dòng)死區(qū)，導(dǎo)致管道軸向溫度梯度過大造成管道變形過大。由此在預(yù)冷實(shí)施時(shí)，建議該處閥門在預(yù)冷30 h后每30 min間歇開啟以縮小軸向溫差。

3）判斷和發(fā)現(xiàn)接收站管道預(yù)冷工作中的結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)和隱患，提前進(jìn)行整改?；谧冃魏蛻?yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)某接收站在設(shè)計(jì)時(shí)局部支撐不足，造成某管道三通連接處變形過大和應(yīng)力集中。由此，采取預(yù)先性防范措施，對該部位進(jìn)行加固，并調(diào)整預(yù)冷溫降速率，保證管道的結(jié)構(gòu)安全。

表1 模型應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益表

5 結(jié)論

1）結(jié)合CFD和有限元方法，構(gòu)建LNG接收站管道預(yù)冷溫度/應(yīng)力模型，實(shí)現(xiàn)了大計(jì)算空間、大尺度網(wǎng)格、復(fù)雜多相流的快速穩(wěn)定計(jì)算，以及預(yù)冷介質(zhì)流動(dòng)溫度載荷與結(jié)構(gòu)有限元模型的耦合應(yīng)力分析，解決了預(yù)冷工作涉及的氣液多相流體流動(dòng)及熱固結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力的問題。

2）模型可有效預(yù)測LNG接收站管道預(yù)冷關(guān)鍵參數(shù)溫度、氣液相組分在空間和時(shí)間上的變化分布規(guī)律，管道在預(yù)冷過程中整體和局部溫度變化載荷造成的變形、應(yīng)力情況，充分反映了預(yù)冷時(shí)接收站管道內(nèi)的整體流動(dòng)過程，并揭示出設(shè)備材料和結(jié)構(gòu)所受到的熱應(yīng)力損傷情況。

3）現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明模型具有良好的預(yù)測精度，現(xiàn)場應(yīng)用表明模型可有效支持接收站管道預(yù)冷方案的設(shè)計(jì)，判斷預(yù)冷工藝流動(dòng)危險(xiǎn)區(qū)和設(shè)備結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)，滿足了工程需要，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和安全效益，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。