管道弓形效應(yīng)對(duì)LNG輸送管道的影響

魏 斌

（南京揚(yáng)子石油化工設(shè)計(jì)工程有限公司，江蘇南京 210000）

隨著LNG 產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展日趨完善，已經(jīng)逐步形成覆蓋天然氣開采、加工、儲(chǔ)運(yùn)、銷售等多個(gè)環(huán)節(jié)的完整體系，其中LNG 天然氣儲(chǔ)運(yùn)處于天然氣資源流通的核心樞紐，天然氣液化處理后，經(jīng)過LNG 運(yùn)輸最終到達(dá)LNG 接收站，為社會(huì)提供LNG 天然氣的銷售服務(wù)，LNG 接收站的安全運(yùn)行對(duì)于整個(gè)LNG 產(chǎn)業(yè)鏈非常重要。接收站LNG 管道，尤其LNG 卸料主管管徑較大，在預(yù)冷階段，由于注氮速度、流量、注氮點(diǎn)位置等因素影響，管道不僅存在軸向溫度梯度，同樣存在豎向溫度梯度。豎向溫度梯度引起管道弓形效應(yīng)，造成管道支架部分脫空、部分位置應(yīng)力和受力增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使管道破裂。所以管道弓形效應(yīng)是非常有害的，避免弓形效應(yīng)很重要。

1 管道弓形效應(yīng)介紹

1.1 簡介

管道弓形效應(yīng)是水平管道運(yùn)行中出現(xiàn)的一種效應(yīng)，它是由大的徑向溫度梯度引起的，這種溫度梯度有可能在管壁中造成不可接受的局部熱應(yīng)力，管道局部有疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)，并可導(dǎo)致管道支架和所連接設(shè)備受力過大。在這種情況下，管子會(huì)像弓一樣彎曲，因此得名弓形效應(yīng)。容易發(fā)生管道弓形效應(yīng)的情況如下：

（1）暴露在烈日下的不隔熱管道；

（2）輸送分層低溫流體的水平管道；

（3）有外部或內(nèi)部水（冷凝水）的蒸汽管道；

（4）流動(dòng)停滯造成流體分層的水平管道。

管道弓形效應(yīng)問題在管道應(yīng)力分析或設(shè)計(jì)書籍中很少提及。但是由于弓形效應(yīng)而造成的運(yùn)行困難的概率非常高，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)妥善處理。

1.2 LNG輸送管道

發(fā)生弓形效應(yīng)的管道橫截面的一部分是熱的，另一部分是冷的。在LNG 接收站，大口徑管道預(yù)冷時(shí)，管道中會(huì)部分填充LNG，管道截面的上部是熱狀態(tài)（管道在上部會(huì)膨脹），下部是冷狀態(tài)（管道在下部會(huì)收縮）。因此，這種同時(shí)的膨脹和收縮或不均勻的溫度分布將迫使管道產(chǎn)生弓形效應(yīng)。

2 管道弓形效應(yīng)分析基礎(chǔ)

2.1 弓形效應(yīng)溫差

管道橫截面上的徑向溫差稱為弓形效應(yīng)溫差。弓形效應(yīng)溫差大多發(fā)生在頂部到底部這個(gè)方向上，這主要由石油化工生產(chǎn)中高溫氣體快速冷卻、緊急冷卻注入、冷循環(huán)、啟動(dòng)液化天然氣輸送管道、快速輸送低溫液體燃料等，所產(chǎn)生的分層流動(dòng)引發(fā)。大口徑的蒸汽管道的啟動(dòng)時(shí)也可能產(chǎn)生弓形效應(yīng)溫差。

采用Caesar II 進(jìn)行應(yīng)力分析，這個(gè)弓形效應(yīng)溫差是需要額外輸入的。弓形效應(yīng)溫差指定了管道頂部和底部之間的徑向溫差，用來計(jì)算每個(gè)溫度工況下的基本負(fù)荷。

2.2 應(yīng)力分析的假設(shè)

對(duì)于應(yīng)力分析，管道的弓形效應(yīng)需要如下的假設(shè)：

（1）管道截面上的溫度分布是線性的，如圖1。

圖1 弓形效應(yīng)的溫度分布

（2）相同的熱梯度或溫度變化適用于整個(gè)管道，不能為不同的管道指定不同的弓形效應(yīng)溫差。

（3）弓形效應(yīng)僅適用于水平管道，并在垂直面起作用。

2.3 弓形效應(yīng)計(jì)算基礎(chǔ)

不考慮重力影響，弓形效應(yīng)造成的變形如圖2所示。

圖2 弓形效應(yīng)管道變形示意

由于弓形效應(yīng)引起的管道彎曲符合下式計(jì)算：

r為曲率半徑

D為管道外徑

a為操作溫度下的熱膨脹系數(shù)

Ttop為管道頂部的溫度

Tbottom為管道底部的溫度

由于弓形效應(yīng)在約束管中產(chǎn)生的彎矩符合下式計(jì)算：

E為管在工作溫度下的彈性模量

I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

操作溫度應(yīng)等于（Ttop+Tbottom）/2

3 管道弓形效應(yīng)應(yīng)力分析

通過對(duì)廣東某LNG 接收站42”卸料管道進(jìn)行弓形效應(yīng)影響下的應(yīng)力分析，包含LNG 管道的一次應(yīng)力（支架脫空）、二次應(yīng)力、支架受力以及管道位移四個(gè)方面的對(duì)比分析，來闡述管道弓形效應(yīng)對(duì)大口徑LNG 卸料管道的影響。

3.1 管道建模

應(yīng)力分析采用鷹圖公司CAESARII 2010版軟件，卸料管道模型總覽詳見圖3，建模基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下：

（1）幾何和材料數(shù)據(jù)。

DN1050外徑：1067mm，規(guī)格/厚度：XS/12.7mm。

腐蝕：0mm，負(fù)公差：-12.5%。

保護(hù)層：0.8mm，密度：7850kg/m3。

保溫厚度：240mm，密度：70.2kg/m3。

材料：A358-304/304L

（2）設(shè)計(jì)條件

環(huán)境溫度：38℃

最大：60℃

最小：-170℃

最大壓力：1.89MPa

水壓試驗(yàn)：2.835MPa

（3）弓形效應(yīng)

管道上下溫差：50℃。根據(jù)GBT 51257-2017 《液化天然氣低溫管道設(shè)計(jì)規(guī)范》管道上下部溫差不應(yīng)超過50℃。

冷卻介質(zhì)：氮?dú)狻?/p>

（4）表面摩擦系數(shù)

鋼對(duì)鋼0.3

鋼對(duì)聚乙烯墊片0.2

不銹鋼至PTFE 墊板 0.1

圖3 LNG卸料管道模型總覽

3.2 結(jié)果分析

（1）管道最大二次應(yīng)力對(duì)比

LNG 管道進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)所考慮的溫度為管線最低溫度和最高金屬溫度的全程熱應(yīng)力范圍應(yīng)予以校驗(yàn)，冷介質(zhì)管線考慮最高環(huán)境溫度作為安裝溫度。弓形效應(yīng)產(chǎn)生的管道熱應(yīng)力屬于二次應(yīng)力，在進(jìn)行管道應(yīng)力分析時(shí)，弓形效應(yīng)溫差應(yīng)與管道全程熱應(yīng)力范圍相疊加。只要管道的應(yīng)力情況在符合規(guī)范所要求的二應(yīng)力校核條件，弓形效應(yīng)就不會(huì)造成管道和管件的失效。所以首先對(duì)管道的二次應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

LNG 管道在受弓形效應(yīng)影響時(shí)，應(yīng)力最大點(diǎn)在node90，即在LNG 上罐管道的分支三通處，應(yīng)力值為規(guī)范允許值的97.6%，其他的LNG 上罐管道的分支三通處的應(yīng)力值基本上也在允許值的90%以上。

正常情況下，應(yīng)力最大點(diǎn)在node670，即在LNG 管道膨脹彎的彎頭處，應(yīng)力值為規(guī)范允許值的73%。而這時(shí)node90（即在LNG 上罐管道的分支三通處）的應(yīng)力值為規(guī)范允許值的45.43%，其他的LNG 上罐管道的分支應(yīng)力值基本上也在允許值的50%以下。

通過上述對(duì)比可以看出，弓形效應(yīng)對(duì)LNG 卸料管道的二次應(yīng)力影響較大的位置是LNG 上罐管道的分支三通處。

（2）支架受力對(duì)比

LNG 管道在受弓形效應(yīng)影響時(shí)，管道支架最大受力在18t左右，出現(xiàn)在LNG 主管道發(fā)生路徑改變的位置。

正常情況下，管道支架最大受力在12t 左右，出現(xiàn)在LNG管道上罐分支處。

通過上述對(duì)比可以看出，部分管道受弓形效應(yīng)影響，支架受力值變大超過50%。為保證土建專業(yè)的管道支墩設(shè)計(jì)準(zhǔn)確，需要考慮管道弓形效應(yīng)的影響。

（3）管道位移對(duì)比（支架脫空）

管道受弓形效應(yīng)影響會(huì)產(chǎn)生彎曲，主要體現(xiàn)在水平主管在運(yùn)行工況下的豎向位移變化，以及部分支架的脫空。

LNG 管道在受弓形效應(yīng)影響時(shí)，LNG 主管脫空支架較多（脫空支架占主管支架約20%），豎向最大位移在22mm 左右。脫空支架出現(xiàn)在主管道端頭、π 彎以及主管道發(fā)生路徑改變的彎頭附近。

正常情況下，LNG 主管沒有脫空支架，豎向最大位移在4mm 左右。

通過上述對(duì)比可以看出，弓形效應(yīng)使LNG 卸料主管支架脫空嚴(yán)重，管道位移較大的位置主要集中在管道端頭和管道發(fā)生路徑改變的彎頭附近。

（4）管道支架脫空下的一次應(yīng)力校核

由于在弓形效應(yīng)的影響下管道產(chǎn)生多處支架脫空的情況，故需要對(duì)管道支架脫空下的一次應(yīng)力進(jìn)行校核。經(jīng)過分析計(jì)算，在模型node410（即在一處LNG 分支管道上罐的三通處）出現(xiàn)了一次應(yīng)力超標(biāo)的情況，其一次應(yīng)力值為規(guī)范允許值的105.4%。

一次應(yīng)力超標(biāo)對(duì)于管道的安全是非常嚴(yán)重的設(shè)計(jì)失誤，所以需要調(diào)整node410附件支架的位置，并且將所有LNG 主管上罐分支管道的三通壁厚全部加厚。調(diào)整后經(jīng)過再次計(jì)算，一次應(yīng)力值為規(guī)范允許值的89.6%，符合規(guī)范要求。

4 結(jié)論

從輸出結(jié)果可以看出，LNG 管道在應(yīng)力、支撐載荷和熱位移在弓形效應(yīng)的影響下都有顯著的改變，并且對(duì)于管道正常運(yùn)行來說都是不利的。在管道預(yù)冷時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程實(shí)施，避免發(fā)生弓形效應(yīng)。

在LNG 卸料管道的設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）注意優(yōu)化設(shè)計(jì)LNG 上罐管道的分支三通附近的管道，防止管道應(yīng)力超標(biāo)。

2）注意LNG 主管道發(fā)生路徑改變的彎頭附近管道支架的受力情況。

3）注意通管道端頭和管道發(fā)生路徑改變的彎頭附近管道脫空情況。