LNG管道應力分析方法

王乾

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

LNG是液化天然氣(Liquefied Natural Gas)的英文簡稱，是由天然氣在常壓下冷卻到-162℃轉(zhuǎn)變成液態(tài)而成，其體積是氣態(tài)的1/600，具有能效高、易于運輸和儲存的特點。在LNG產(chǎn)業(yè)的設(shè)計和建設(shè)中，為了保證管道自身和與其相連的設(shè)備、支吊架及土建結(jié)構(gòu)的安全，管道的應力分析至關(guān)重要。

圖1 LNG接收站規(guī)劃圖

1 管道應力分析方法

在管道應力分析工作中通常采用國際上通用的管道應力分析標準，主要以美國ASME B 31系列標準[1]。在LNG管道的分析中儲罐和接收站中的管道采用ASME B31.3《工藝管道》為準，總站后的外輸氣總管采用ASME B31.8《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》為準。超低溫管道應力分析分為靜態(tài)、動態(tài)和疲勞分析三個方面。

1.1管道靜態(tài)分析

管道靜態(tài)分析是指管道受靜載荷作用下的受力分析，包括重力載荷（管道自身、保溫及管道內(nèi)介質(zhì)重量）、壓力載荷（管道介質(zhì)壓力）、管道偶然載荷（風、浪等作用）及位移載荷（管道熱應力及附加移位作用）。管道靜力劃分為一次應力、二次應力及偶然應力。以上三種應力一般稱為規(guī)范應力。

一次應力：由于壓力、重力及其他外力載荷的作用產(chǎn)生的應力，它是平衡外力載荷所需的應力，隨外力載荷的增加而增加。一次應力的特點是無自限性，即當管道內(nèi)的塑性區(qū)擴展達到極限狀態(tài)，使之變成幾何可變機構(gòu)時，即使外力載荷不再增加，管道仍將產(chǎn)生不可限制的塑性流動，直至破壞[2]。

ASME 31.3中規(guī)定的一次應力校核條件是：管道中壓力重力和其他持續(xù)性載荷所產(chǎn)生的縱向應力σL不超過材料在預計最高溫度下的許用應力[σ]h，即：

二次應力：由于熱脹、冷縮端點位移等位移載荷的作用產(chǎn)生的應力，它不直接與外力平衡，而是為滿足位移約束條件或管道自身變形的連續(xù)要求所必須的應力，其具有自限性，即局部屈服或小量變形就可以使位移約束條件或自身連續(xù)要求得到滿足，從而不再繼續(xù)增大[2]。ASME 31.3中規(guī)定的二次應力校核條件是：管道中熱脹、冷縮端點位移等位移載荷所產(chǎn)生的位移應力σE不超過材料在預計最高溫度下的許用應力SA，即：

偶然應力：風、浪、流等非持續(xù)性載荷產(chǎn)生的一次應力，但由于是非持續(xù)性載荷，因此在校核上相對一次應力會寬松，即其許用應力會乘以一個大于1的系數(shù)。

ASME 31.3中規(guī)定的偶然應力校核條件是：管道受到壓力、重力、其他持續(xù)載荷和偶然載荷產(chǎn)生的縱向應力σLO不超過材料在預計最高溫度下的許用應力[σ]h與許用應力系數(shù)K（一般取1.33）的乘積，即：

1.2 管道動態(tài)分析

管道動態(tài)分析是指管道受動載荷作用下的受力分析，動載荷指隨著時間迅速變化的載荷，管道系統(tǒng)不足以瞬間將其分散，產(chǎn)生不平衡載荷，使管道發(fā)生運動。其中包括地震、水錘、氣錘、振動、安全閥泄放反力等。

動態(tài)分析的內(nèi)容包括：管道固有頻率分析，沖擊載荷作用下的管道應力分析，管道強迫振動響應分析，往復壓縮機（泵）氣（液）柱頻率分析及往復壓縮機（泵）脈動分析。往復壓縮機（泵）的相關(guān)分析是為了防止氣柱共振和控制壓力脈動，防止造成系統(tǒng)共振，此項工作一般由壓縮機（泵）廠家進行計算校核，工程設(shè)計單位進行協(xié)助設(shè)計，本文不再贅述。

管道固有頻率分析目的是防止管道系統(tǒng)的共振，管道系統(tǒng)的固有頻率往往要避開設(shè)備的運行頻率以免發(fā)生共振，一般而言頻率高的管道不易發(fā)生振動，使管道固有頻率高于某個值，以達到不發(fā)生共振的條件。國內(nèi)規(guī)范中無相應規(guī)定，一般工程公司會制定一個經(jīng)驗值，如2.55Hz或3.0Hz[2]。對于與離心和往復設(shè)備相連的管道而言，工程上一般采用5.0Hz和8.0Hz作為離心和往復設(shè)備相連的管道的最低固有頻率值。

1.3 管道疲勞分析

管道疲勞的原因主要由以下因素導致：(1)管道的溫度或壓力交替變化；(2)振動源產(chǎn)生的周期性低幅高頻位移作用。管道疲勞校核的方法一般分為三種：(1)循環(huán)當量折算法；(2)疲勞極限分析法；(3)疲勞積累損傷法。

循環(huán)當量折算法是基于管道二次應力校核的安定性原則，根據(jù)管道預計設(shè)計周期內(nèi)的循環(huán)次數(shù)求出位移應力的減小系數(shù)（小于1.0），在二次應力校核中使許用應力值乘以該系數(shù)，以達到縮小位移應力范圍的方法來達到避免管道疲勞。疲勞極限分析法是以材料的疲勞曲線（S-N曲線）為基礎(chǔ)，利用不同材質(zhì)管道的疲勞曲線對應的循環(huán)次數(shù)，確保管道在疲勞工況下的最大位移應力范圍小于疲勞曲線上對應的應力變化幅度即可[3]。疲勞積累損傷法是以Miner準則為基礎(chǔ)，即允許結(jié)構(gòu)上危險點應力循環(huán)中的最大應力值超過疲勞極限，當最大應力超過疲勞極限時，構(gòu)件內(nèi)部就會產(chǎn)生一定量的損傷。這種損傷是可以累積的，只有當損傷累積到一定數(shù)值（即所謂臨界值）時，才發(fā)生疲勞破壞，這種損傷稱為積累損傷。

2 管道應力分析內(nèi)容

在LNG管道應力分析中，除規(guī)范應力校核（一次應力、二次應力及偶然應力）外，還需要進行設(shè)備管口載荷評估、法蘭泄漏校核、管道位移評估及支架受力校核等分析內(nèi)容。

2.1 設(shè)備管口載荷評估

在設(shè)備校核過程中，按校核方法分為靜設(shè)備和動設(shè)備。對于靜設(shè)備，當管道的作用力過大時，會造成設(shè)備管口變形、法蘭泄漏，通常做法是對不同溫壓等級的設(shè)備管口規(guī)定相應的許用載荷，分析過程中計算荷載不超過許用荷載。對于動設(shè)備，當管道反力過大時，會造成轉(zhuǎn)動設(shè)備轉(zhuǎn)子不對中、轉(zhuǎn)子與定子之間間隙過大、設(shè)備振動磨損、噪音過大等問題。常見的動設(shè)備有汽輪機、離心泵、壓縮機及透平，其管口校核應遵循相關(guān)標準或制造商標準，校核內(nèi)容相對靜設(shè)備會更復雜，不僅有管口受力及力矩的校核，還包含進出口的聯(lián)合校核[3]。

2.2 法蘭泄漏校核

不同的法蘭適用不同的校核方法，但原理是相通的，都是校核溫壓條件下法蘭的受力，使其滿足許用條件。工程設(shè)計中，主要涉及以下兩種法蘭：ASME16.5法蘭和NORSOK法蘭。

ASME16.5法蘭主要使用ASME BPVC III Division1 NC分卷第3658.3節(jié)中的方法或Kellogg公司提出的壓力當量法。但對于高磅級（≥600LB）時，壓力當量法較為保守，計算結(jié)果可能導致整體的法蘭磅級升級，提高整個工程費用。

NORSOK緊湊型法蘭較傳統(tǒng)法蘭尺寸小、重量輕，許用的外部載荷比ASME B16.5的法蘭大，用于大口徑、高壓力管道。一般采用法蘭廠家提供的允許值進行校核或者按照NORSOK L.005規(guī)范中的方法進行核算。

2.3 管道位移評估

管道位移包括豎向和水平兩個方向的位移。ASME B31.3中并無相關(guān)的規(guī)定，但在工程設(shè)計中一般都會對豎直和水平方向有所限制?；ば袠I(yè)一般將1/2英寸（12.5mm）作為豎直方向（即管道撓度）的許用值，根據(jù)GB50316規(guī)定一般管道設(shè)計撓度不超過15mm，裝置外管道撓度適度放寬，但不超過38mm。管道水平方向位移無限制，但管道位移不能與周邊建構(gòu)物產(chǎn)生干涉，所以一般會規(guī)定水平位移值（如25mm），當管道位移超過此值后應檢查干涉問題。

2.4 支架受力校核

管道支架受力應考慮全溫差工況和極端操作工況，但地震和風等偶然載荷不疊加考慮。工程設(shè)計過程中，一般會有不同規(guī)格的支架載荷許用表，計算出的支架載荷在許用值以內(nèi)，一旦超出的話，可使用有限元方法對支架本體進行詳細計算，隨后會將支架受力提交給土建或結(jié)構(gòu)等相關(guān)專業(yè)進行核算。

3 LNG管道應力分析中的特殊點

3.1 管道熱拱

LNG管道的熱拱產(chǎn)生有兩種情況：(1)預冷階段管道溫差。LNG管道系統(tǒng)在預冷階段，當?shù)蜏匾旱M入到管道中，在管道未充滿狀態(tài)前，由于液氮流速和注入點等因素，導致管道的上下表面產(chǎn)生較大溫度差從而導致熱拱；(2)輻射溫差。對于無保溫層的管道，當金屬管道暴露在陽光下，內(nèi)部流體受熱不均，管道上下表面產(chǎn)生溫度差，產(chǎn)生熱拱現(xiàn)象[5]。熱拱不但會產(chǎn)生管道的熱應力，還會產(chǎn)生管道彎曲位移，造成管道變形和支架脫空失效現(xiàn)象，從而產(chǎn)生管道應力過大和管道破損泄漏的風險。

對于輻射熱拱，一般采用在管道上噴涂反射油漆來減弱陽光輻射的吸收，從而減弱和避免輻射熱拱的發(fā)生。對于預冷階段熱拱，根據(jù)LNG管道預冷經(jīng)驗，一般在預冷階段采取控制預冷介質(zhì)流速流量等方法，宜使預冷控制在8～10℃/h，管道預冷溫差控制在50℃以內(nèi)能夠保證管道安全。因此在LNG管道應力分析中需要對大尺寸管道采取50℃熱拱效應考慮。

3.2 OBE和SSE工況校核

在LNG儲罐設(shè)計中根據(jù)BS EN 14620規(guī)范應保證在OBE地震工況前后能夠保持運行，并且在SSE地震工況下具備包容LNG能力使儲罐不失效。OBE（操作基準地震），不會造成損壞、不影響重新啟動和可以繼續(xù)安全操作的最大地震活動。SSE（安全停運地震），基本失效保護功能和機械裝置設(shè)計能承受的最大地震活動。

對于基礎(chǔ)生根在LNG儲罐上的管道在校核偶然載荷時應考慮OBE和SSE工況都要滿足要求，在ASME B31.3中無關(guān)于操作基準地震(OBE)和安全停運地震(SSE)的相關(guān)要求，工程設(shè)計中，OBE工況下的偶然應力按照ASME B31.3中的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，即偶然載荷σLO小于1.33倍許用應力[σ]h，SSE工況下的偶然應力滿足屈服極限法，即偶然載荷σLO小于材料的屈服極限[σ]y，

圖2 LNG儲罐管道應力模型

3.3 長直管道水錘

水錘是管道瞬變流動中的一種壓力波，它的產(chǎn)生是由于管道中某一截面的流速發(fā)生了改變。這種改變可能是正常的流量調(diào)節(jié)，或因事故使管道堵塞，從而使該處壓力產(chǎn)生突然的躍升或下降，管道水錘力主要作用在管道方向改變的地方，如彎頭、三通等處，可造成管道振動甚至破裂。工程計算中對水錘力的計算使用AFT等軟件進行管道工藝計算，計算獲得管道載荷/時間作用

4 總結(jié)

本文結(jié)合多年的LNG管道應力分析工作，闡述了LNG管道應力的分析方法和特點，對各種荷載的校核方式進行了歸納總結(jié)，并對LNG管道中的熱拱、不同地震工況校核及水錘力計算等特殊點進行了詳細闡述并說明工程中的解決方案。LNG管道應力分析工作是LNG站場和儲罐工程中的一項核心技術(shù)，對整個工程具有重要作用，希望本文能對相關(guān)專業(yè)同行進行此類管道應力分析時起到一定借鑒和啟發(fā)。