LNG低溫管道PIR保冷層內部溫度隨厚度變化的數值模擬研究

楊建坤，劉衛東，茍海平

（中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300457）

LNG低溫管道PIR保冷層內部溫度隨厚度變化的數值模擬研究

楊建坤，劉衛東，茍海平

（中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300457）

應用ANSYS Workbench軟件對LNG低溫管道PIR保溫結構進行穩態熱分析，采用導熱系數法對PIR保冷層內部溫度隨厚度變化進行數值模擬研究，得到PIR保冷層內部溫度隨保冷層厚度變化關系，該研究結果為LNG管道保冷結構的優化設計提供了理論依據。

LNG管道；PIR；數值模擬

0 引言

PIR材料自身特性滿足規范 GB50246–1997對LNG管道對保冷的要求，且在深冷工程運用中保冷效果優異。相比于聚苯乙烯（EPS）、硬質聚氨酯（PUR）、橡膠（NBR）等其它保冷材料，PIR高達98%的閉孔率和在-200℃～160℃溫度區間內良好的穩定性，使其成為LNG管道比較理想的保冷材料。

LNG加氣站不銹鋼管道內為LNG液體，管道外壁為保冷層，保冷層處在大氣環境中。LNG管道在輸送LNG過程中不斷從周圍環境中吸收熱量，致使LNG管道內部的LNG汽化，這給LNG管道的安全穩定運行帶來了隱患。因此，對LNG低溫管道PIR保冷層內部溫度隨厚度變化進行數值模擬研究顯得尤為重要。

1 PIR保冷層內部溫度隨厚度變化數值模擬

1.1 LNG管道PIR保冷層結構介紹

本文以目前LNG低溫管道常用的PIR保溫材料為切入點，對其保冷層內部溫度變化隨其厚度情況進行了數值模擬研究。

本文模擬采用LNG管道公稱直徑為100mm時的結構設計，管道外面保冷材料采用PIR保冷材料，保冷結構如圖1所示。由于除保冷層以外的其他各層材料的導熱系數較大且厚度較小，對傳熱模擬的影響較小，故可將LNG管道、過渡層、防潮層以及外保護層忽略，只保留保冷層。在保冷材料內表面溫度為-162℃，各層材料發生熱傳導，導熱系數取常溫下的平均導熱系數；假設保冷材料外表面與外界空氣發生熱對流，空氣的對流系數為8.141W/（m2·k）；環境溫度為34.8℃，模擬采用管道公稱直徑為DN100mm時的結構設計，保冷材料選用PIR；PIR保冷層內徑為114mm，PIR保冷層厚度為97.22mm。

圖1 LNG管道保冷結構圖

1.2 PIR保冷層內部溫度隨厚度變化的模擬過程

通常在設計保冷層厚度時，采用導熱系數法進行計算，實際當中大部分材料的導熱系數隨著溫度的變化而變化。PIR的導熱系數隨溫度變化的參考公式：

式中，λ為導熱系數，W/(m·℃)；λ0為常溫時的導熱系數，W/(m·℃)，PIR溫度為25℃時，取λ0=0.0275W/(m?℃)；t為PIR的溫度，℃。

不同溫度對應的PIR的導熱系數，如表1所示。

模擬過程研究過程如下：

1）建立穩態熱分析系統

啟動ANSYS Workbench，在主界面Toolbox中調入穩態熱分析系統Steady-State Thermal。

設置單位：ANSYS Workbench內置多種單位制，本例采用 Metric：在菜單欄中點擊 Units，選擇Metric(kg、m、s、℃、A、N、V)。

2）設置材料屬性

雙擊Engineering Data單元格，單擊Engineering Data Sources，單擊Thermal Materials,添加新材料PIR：點擊Click here to add new material，輸入材料名為PIR，在Toolbox中選擇Isotropic Thermal Conductivity，設置材料性能為各項同性，屬性窗口輸入溫度值及對應的導熱系數，得到PIR導熱系數隨溫度變化曲線如圖2所示。

表1 不同溫度對應的PIR導熱系數

圖2 PIR導熱系數隨溫度變化曲線

3）模型建立

PIR保冷層模型在Geometry模塊下建立，主要應用拉伸Extrude命令建立模型，建立后PIR保冷層的模型如圖3所示。

4）劃分網格

在劃分網格前將系統默認的材料改變為新建立的材料PIR。

在Model界面下的Outline中選擇Mesh選項,應用Mapped Face Meshing和Sizing命令，得到均勻而系統的網格。生成后的節點數NOdes為19608，單元格數Elements為3440，PIR保冷層網格劃分如圖4所示。

圖3 PIR保冷層的模型圖

圖4 PIR保冷層網格劃分圖

圖5 PIR保冷層溫度分布圖

5）設置穩態熱分析的邊界條件

在Model界面下的 Outline中選擇 Steady-State Thermal選項，添加載荷，我們分別對其進行溫度載荷和對流載荷進行邊界條件設置。

添加溫度載荷，點擊Temperature，選中保冷材料內表面，在明細欄中設置溫度為-162℃。

添加對流載荷，點擊Convection，選中保冷材料外表面，在明細欄中設置對流換熱系數8.141W/（m2?℃），設置環境溫度34.8℃。

6）穩態熱分析結果后處理

顯示溫度分布。在Model界面下的Outline中選擇Solution選項，添加Temperature，得到的PIR保冷層溫度分布如圖5所示，從計算結果可知PIR保冷層溫度從內向外逐步增加，內側最小溫度-162℃，外側最大溫度31.789℃。

以橫截面為對象計算其溫度分布，在 Model界面下的Outline中選擇Solution選項，添加Temperature，選擇對象為path，可以得到不同的橫截面下的溫度分布圖，PIR保冷層橫截面溫度分布如圖6所示。

圖6 PIR保冷層橫截面溫度分布圖

2 結論

本文從LNG管道保溫實際情況出發，結合PIR材料屬性特點，利用ANSYS軟件對LNG管道采用PIR保溫時保溫層內部溫度隨保溫層厚度的變化規律進行了數值模擬研究，總體而言，保冷層的截面溫度隨保冷層厚度的增加逐漸升高，具體變化規律如圖7所示，該結果對LNG管道采用PIR保溫時厚度的確定及結構優化設計具有重要的指導意義。

圖7 PIR保冷層內部溫度隨保冷層厚度變化曲線圖

[1]翟俊紅,田德永.淺談 LNG管道保冷材料的發展和應用[J].氮肥技術,2012,32(6): 48-50.

[2]SH3010-2000.石油化工設備和管道隔熱技術規范[S].

[3]GB 50264-1997.工業設備及管道絕熱工程設計規范[S].

[4]彭曉順.對低溫管道保冷計算方法的探討[J].深冷技術,1998(6): 14-15.

Research on Numerical Simulation of LNG Cryogenic Pipeline PIR Internal Temperature Changes with the Thickness of Insulating Layer

YANG Jian-kun,LIU Wei-dong,Gou Hai-ping
(CNOOC Energy Technology & Services-Oilfield Construction Engineering Co.,Tianjin 300457,China)

This paper analyzes the steady thermal state of PIR LNG cryogenic pipeline insulation structure using ANSYS Workbench software and studies the numerical simulation of PIR internal temperature changes with the thickness of insulating layer by the method of coefficient of thermal conductivity.The relationship between the internal temperature of PIR cold insulation layer and the thickness of cold insulation layer is then obtained.The results of the research provide a theoretical basis for cold structure optimization of LNG pipeline.

LNG pipeline,PIR,numerical simulation

TB3、TE9

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.003

楊建坤（1982-），男，碩士，工程師，主要從事海上平臺機械設備及LNG技術等的研究工作。