船用LNG輸送管道液擊效應

CCS武漢規范研究所 鄒一麟 金全洲

LNG作為一種經濟高效、清潔環保、安全可靠的能源，近年來迅速發展，在整個LNG產業鏈中，LNG的水上生產、儲存、運輸等占據著至關重要的地位。在其中涉及的LNG設備的設計階段，管道的應力分析必不可少，在進行應力分析時需首先考慮載荷工況，其中包括由于突然停泵以及閥門關閉時引起的液擊載荷。其瞬間壓力可大大超過正常壓力，并有可能對管路產生破壞性影響。根據相關理論計算公式來看，該壓力與流體質量密度密切相關，考慮到LNG密度比水小、體積壓縮模量大的物理特性，LNG運輸管路系統內發生的這種壓力突然增大的現象尤其不容忽視。

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

液擊效應分為正壓液擊和負壓液擊，如圖1所示：

圖1 液擊效應簡化圖

在圖1中，當閥門突然閉合或由于某種原因管道突然堵塞時，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生破壞，此時b處的壓力為正壓。相反，由于慣性作用閥門前方a處流體持續向前運動使管道內部出現真空狀態，并造成壓力的急劇下降，此時a處的壓力為負壓。液擊效應的發生主要基于管內流體的慣性和可壓縮性，其產生的壓力波會隨著流體速度方向傳播。

在LNG船舶以及水上設備的運行過程中，遇到緊急情況或是非正常操作下，可能會發生液擊現象。為了避免由于液擊效應而發生管道破損，在管道設計階段進行應力分析時，務必考慮液擊載荷。影響液擊效應的因素有很多，包括管道的材質、結構、尺寸，以及其中流體介質的密度、壓縮模量、流速等。

本文主要通過計算流體力學的方法對管內液擊效應產生的壓力進行分析，以LNG作為流體介質，考慮基于LNG獨特的物理性質下不同作業情況的液擊壓力，為后續的應力分析工作提供一定的計算基礎，并通過分析不同因素對液擊效應強度的影響，給出適當的緩解措施。

1.液擊效應計算方法

（1） 經典水錘理論

液擊效應可以用經典水錘理論進行簡單的估算，經典水錘理論通常假定管道足夠剛性，不考慮管道動力學效應對流場的影響，但考慮管道彈性對壓力波的影響。假設流體無粘性，管道截面積不變，不考慮結構的橫向運動，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為流體質量密度，c為聲速，ΔV為速度變化。

（2） CFD方法

經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生的空間效應，因而無法對具有空間結構的管道進行模擬。為了有針對性地考慮LNG管道的液擊效應，本文采用ANSYS FLUENT15.0軟件，基于LNG物理特性定義新的介質材料，采用簡單構造管道對LNG管道的液擊壓力進行模擬求解，得到管道閥門關閉瞬間（計算時取0.001s）各速度下管道壓力的軸向分布，并將所得值與上述經典水錘公式計算結果進行比較，驗證CFD方法的可行性，在此基礎上延長瞬態計算的時間步數，得到各個速度下閥門關閉后0.001s～0.01s之間閥門附近壓力變化，并進行進一步的分析。計算分析流程如圖2所示：

圖2 液擊效應CFD計算流程圖

2.計算結果和相關緩解措施

將CFD和理論計算結果比較后，可驗證CFD方法在計算液擊效應時有一定的可行性。在管道閥門關閉瞬間，閥門附近的壓力增大值基本上和管內LNG流速成正比，管道閥門附近的壓力在關閉瞬間達到最大值之后隨時間逐漸下降，甚至達到負壓。負壓的產生是由流體的慣性和可壓縮性導致，若不考慮管道內壁的摩擦，閥門附近的壓力會隨時間的變化會形成壓力波的形式，其壓力峰值會因為粘性損失而逐漸減小，直至和入口壓力相同。

在CCS《低溫管路應力分析指南》表2.2.7所列的應力分析主要載荷中，包含了ESD閥關閉誘發液擊力載荷，但在管道應力分析常用的載荷組合工況中，很少考慮液擊載荷，從上述計算結果可以看出，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，在管道設計階段考慮液擊效應時，還應增加加注需求的考慮，對于復雜結構的管路，應進行適當的CFD分析。

基于上述分析，在LNG管道的設計階段和作業過程中應注意：

（1）在進行管道應力分析確定載荷工況時，應先根據實際情況確定管內LNG流速范圍，當流速較大時應考慮ESD閥關閉誘發的液擊力載荷，該載荷的大小可通過CFD計算確定；

（2）結合應力分析和CFD計算，得到各加注速率下由液擊載荷引起的管道應力，從而根據許用應力得到安全加注速率；

（3）當計算得出液擊載荷對管路影響較大時，可考慮對于靠近出口閥的位置采用管道增強措施，或壓力釋放裝置，尤其對于容易發生液擊現象的位置處可增加適當的支撐來減少共振現象的發生；

（4）當閥門關閉后恢復加注作業時，需等管內液體排空后再打開閥門進行加注，并適當控制加注速率，盡量不超過管道設計階段得到的安全加注速率。