LNG管道热应力分布有限元模拟

第 4 2卷第 8期 2 0 1 3年 8月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y L N G管道热应力分布有限元模拟 V o 1 4 2， N o 8 A u g u s t ， 2 0 1 3 苏 鹏 ，刘玉晗 ，王振业 。 ，王一斌 ( I 中海油销售辽宁有限公司， 辽宁 沈阳 I 1 0 0 4 2 ； 2 中交水运规划设计院有限公司， 北京 1 0 0 0 0 7 ； 3 中国石油天然气管道工程有限公司， 河北 廊坊 0 6 5 0 0 0 ；4 中国石油工程建设公司北京设计分公司， 北京 1 0 0 1 0 1 ) 摘 要：介绍了 L N G管道保冷结构以及外表面温度法计算保冷层厚度，应用有限元分析软件对 L N G低温 长输管道算例进行了稳态温度场及热应力场分布模拟计算。计算结果表明：管道和保冷层交界面部位热应力达 到最大值，随着保冷层半径的增加热应力逐渐减小。 关键词：L N G管道；温度分布；热应力 ；数值模拟 中图分类号：T Q 0 1 8 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 1 0 4 6 0( 2 0 1 3 ) 0 8 1 1 9 8 - 0 3 Fi n i t e El e me n t Num e r i c a l S i m u l a t i o n On The r m a l s t r e s s Di s t r i bu t i O n O f LNG Pi pe l i ne S UPe n g ， Y u h a n ， NGZ h e n - ， NG Y i b i n ( 1 CNOOC Ma r k e ti n g Li a o n i n g Co ， L t d Li a o n i n g S h e n y a n g 1 1 0 0 4 2 ， C h i n a ： 2 Wa t e r T r a n s p o r t P l a n n i n g a n d D e s i g n C o 。 L t d ， C h i n a C o mmu n i c a t i o n s C o n s t r u c fi o n C o mp any L i m i t e d ， B e r i n g 1 0 0 0 0 7 ， C h i n a ； 3 Ch i n a P e t r o l e u m P i p e l i n e En g i n e e ri n g Co r p o r a t i o n ， He b e i L a n g f a n g 0 6 5 0 0 0 ， Ch i n a ： 4 C h i n a P e t r o l e um E n g n e e r i n g&C o n s t r u c t i o n C o mp a n y B e ij i n g E n g i n e e ri n g B r anc h ， B e ij i n g 1 0 0 1 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e i n s u l a t i o n s t r u c t u r e o f LNG p i p e l i n e wa s i n t r o d u c e d a s we l l a s c a l c u l a t i o n o f i n s u l a t i n g l a y e r t h i c k n e s s b y s u r f a c e t e mp e r a t u r e me t h o d Th e fi n i t e ana l y s i s s o ft wa r e wa s u s e d t o c a l c u l a t e s t a t i c t e mp e rat u r e d i s t r i b u t i o n a n d t h e r m a l s tr e s s d i s t r i b u t i o n o f LNG c r y o g e n i c l o n g d i s t an c e p i p e l i n e Ca l c u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t ：the ma x i ma l the r ma l s t r e s s h a p p e n s a t the i n t e r f a c e o f t h e p i p e l i n e a n d i n s u l a t i o n ； t h e t h e r ma l s t r e s s d e c r e a s e s wi th i n c r e a s e o f the i n s u l a t i o n r a d i u s Ke y wo r d s ： L NG p i p e l i n e ； T e mp e rat u r e d i s t r i b u t i o n ； T h e rm a l s tr e s s ； Nu me ri c a l s i mu l a t i o n 液化天然气( L i q u e fi e d N a t u r a l G a s ， 简称 L N G) ， 是天然气经过脱硫、脱碳、脱水、脱重烃和杂质等 预处理后，再经液化工艺冷却降温至一 1 6 2而成 。天然气液化后的体积是原体积的 1 6 2 5 左右， 与 气态相比采用液态输送相同体积所需的输送动力费 用优势明显， 基本建设成本低。同时， 采用 L N G输 送安全、环保，可以大大降低气体输送带来爆炸、 环境污染的可能性伫 。由于 L N G在输送过程中温度 很低，需要采取相应的保冷措施以减少冷量损失。 管道和保冷材料等在预冷或间断输送过程中会因温 度分布不均产生相应的热应力 ，对管道的安全运行 产生安全隐患，因此合理的绝热保冷结构，不但能 减少冷损失和介质温度升高，阻止保冷层表面结霜 凝露，还能够减小热应力产生的影响。只有保证管 道不因为低温液体作用引起的温度应力而导致管道 的结构发生屈服或者开裂，才能防止 L N G的泄漏， 维持管道的安全运行。 本文基于 A N S Y S 软件对 L N G 低温管道结构进行 了稳态温度场及稳态热应力场分 析 ，研究其运行状态下的温度应力分布情况 ，对低 温管道的安全运行有重要的意义 ， 同时也为 L N G管 道保冷结构的优化提供了相应的依据。 1 L N G低温管道典型保冷结构 L N G低温管道的保冷结构如图 1 所示， 由内而 外主要有：防锈层， 过渡层，保冷层，防潮层以及 外保护层口 。 防锈层主要是防止不锈钢管道腐蚀，但是本文 以文献 4 中管道实例为研究对象不需涂刷防锈漆。 过渡层材料主要一具有较高强度和弹性的无 机纤维制品。 保冷层常用结构为捆扎式， 由于管道和保冷材料 的线胀系数不一样， 为避免材料收缩后应力过大导致 保冷结构损坏， 要求每层保冷材料每隔 4 m左右设置 伸缩缝 ，各层伸缩缝错开 ，本文保冷材料选用 L T A r m a fl e x ，该制品在低温下具有较小的导热系数。 收稿 日期： 2 0 1 3 - 0 3 0 5 作者简介 ： 苏鹏 ( 1 9 8 6 一) ，男，辽宁抚顺人，助理工程师，2 0 0 5年毕业于辽宁石油化工大学。 通讯作者： 刘玉晗 ( 1 9 8 6 一) ，女，助理工程师，硕士学位。E - m a i l ：o k l i u y u h a n 1 6 3 c o m 。 第 4 2卷第 8期 苏鹏 ， 等： L N G管道热应力分布有限元模拟 1 1 9 9 图 1 L N G 管道保冷结构径 向剖面 图 F i g 1 LNG p i p e l i n e i ns u l a tio n s t r u c t u r e p r o f fl e s 防潮层主要作用是为了防止外界湿气渗透到保 冷绝热层中，产生 “ 冷桥”使保冷材料导热系数变 大， 以致破坏保冷结构， 但文中所选用的L T A r m a fl e x 材料本身透湿系数为1 3 1 X 1 0 - “g ( m s P a ) ， 达到防潮标准，所以可以不设防潮层。 外保护层一般 由 0 2 5 0 5 0 mm厚 的铝材 、镀 锌铁皮或不锈钢构成主要作用是为了保护保冷绝热 材料免受外界的影响和损伤 。 2 保冷层厚度计算方法 低温管道保冷层的计算方法主要有外表面温 度法，允许冷损失法 ，保冷层经济厚度法等 。本 文中给出的算例是基于文献 6 中实例进行的模拟 计算分析。一条 L N G长输管道长约 6 k m，输送压 力 1 1 9 4 M P a ， 管道外径 1 5 9 m m， 管道壁厚 4 5 m m， 管道材质选取 3 0 4 L不锈钢 ( 0 C r l 8 N i 9) ，导热系数 为 1 1 8 W ( m K ) ，管道架空 ，由于 当地最热月平均 相对湿度 8 3 ，容易在管道外表面结露 ，为了防止 结露渗水发生所以保冷层厚度的计算方法采用外表 面温度法。 若保冷层为多层时的总厚度的计算公式为： n ， (f一 。)+ l 口 绝热层外表面对大气的放热系数 ，W m2 ； 绝热层第 i 层材料的导热系数 ，W( m ) ； t ， r a f 一分别为介质 ( 管道的外表面 ) 、环境 、 外表面温度 ，。 若管道的保冷材料仅用一种则视为单层保冷， 同时防止管道外表面结露 ，公式 ( 1 )可简化为 ： D I nDo ： ( 2) t a t d 一 当地气象条件下最热月的露点温度 ，。 保冷材料按照 L T A r m a fl e x的平均导热系数 0 0 1 5 W ( m 1 0 进行计算，得到保冷层厚度为 1 4 5 m m， 管道输送 L N G介质温度为一 1 5 8， 当地夏季 露点温度 2 6， 环境温度按照 2 8 4计算，随温 度变化的导热系数值如图2 所示，管外壁至大气的 放热系数为 2 3 7 5 3 W (m o C ) ，此处放热系数包含 管道外壁与大气的对流换热和辐射过程，在计算过 程中将辐射视为对流换热一部分。 3 稳态下有限元模拟计算结果 3 1 稳态温度分布模拟 应 用 A N S Y S有 限元分析 软件对上述结 构的 L N G管道建立三维有限元模型， 设置边界条件， 计 算得到如下管道稳态温度分布。 图2 L NG管道三维温度分布图 Fi g 2 T e m p e r a t u r