LNG罐区低温管道应力分析

石 油 化 工 设 计 Pe t r o c he mi c a l De s i g n L NG罐区低温管道应力分析 于国鹏 ， 赵广明，张彦新 ( 中国石化工程建设有限公司， 北京 1 0 0 1 0 1 ) 摘要： 采用 C A E S A R I I 应力分析软件对L N G罐区低温管道进行应力分析， 考虑了重力载荷、 温度载 荷、 压力载荷( 内压) 、 风载荷、 地震载荷和水锤载荷等因素， 并根据美国标准 A S M E B 3 1 3对应力载荷类 别( 一次应力和二次应力) 的划分和定义 ， 分 别对上述 载荷 工况下产 生的应力进行 归类和校核 分析 。分析 结果表明： 通过合理调整管道走向和借助弹簧支吊架、 冷紧单元等辅助作用， 可消除管 系应力集中现象， 以达到优化管道模型和合理配管的目的。在进行应力分析时， 提出了管架处于失载状况下， 一次应力校 核结果将 失效 ， 管 系需重新 建模、 一次应 力需再校核等观 点； 同时， 提 出 了偶然性载荷 工况下 的许 用应 力 的取 值 方 法 。 关键词 ：低温L N G管道C A E S A R 应 力分析模 型优化 L N G是 在 常压 下 将 气 态 的天 然 气 冷却 至 一 1 6 2 ， 使之凝结成液体。天然气液化后可 以大 大节约储运空间 ， 但 L N G必须在低温状态下存在 ， 储存和运输 L N G的管道产生具有破坏性 的热应力 与热应变 ， 能导致 L N G管道在投产运营后存在安 全隐患。因此 ， 在 L N G管道的配管设计工作 中， 需 要对管道进行应力分析 ， 解决系统管道存在应力 问题 ， 为系统管道投入运营提供安全保障。 1 应力分 析理 论 1 1 理论 基础 材料强度失效形式 主要有 2种 ： 即屈服与断 裂 。相应地 ， 强度理论也分为 2类 ： 一类是解释断 裂失效的 ， 最 大拉应力理论 和最 大伸长线应变理 论 ， 即第一强度理论和第二强度理论 ； 另一类是解 释屈服失效 的， 最大 剪应 力理论 和形状改变 比能 理论 ， 即第三强度理论和第 四强度理论 J 。 1 2执行标准 美 国标准 A S ME B 3 1 3 工艺管道 主要适用 于炼油 、 化工 、 制药 、 纺织 、 造纸 、 半导体 、 制冷工厂 以及相关的工艺装置 和终端设备 中的管道 ， 适用 范围包括 ： 化 工产 品的原料 、 中间产 品和终端产 品； 石油产 品； 气体 、 蒸 汽、 空气和水 ； 流体化 的固 体； 制冷剂和低温流体。L N G管道属于低温流体 管道 ， 其 应力失 效形式 主要表 现为塑性 破坏 ， 而 A S M E B 3 1 3以第三强度理论 为依据 ， 因此 ， 本文 在运用 C A E S A R I I 软件对低温 L N G管道进行应 力分析时， 采用 标准 A S ME B 3 1 3作为应力失效 与否 的校核依据。 1 3 应 力分 析类型 。 在应力分析领域 ， 为便于分析 ， 人为将应力分 为一次应力和二次应力 。在计算前假定了一定的 边界条件 ， 计算 出的应力按照一定 的判别条 件进 行分析和判断。 1 3 1 一次应力 一 次应力是由机械外荷载引起 的正应力和剪 应力 ， 它必须满 足外部 和内部 的力和力矩的平衡 法则。其特征是 ： 一次应力是非 自限性 ， 它始终 随 所加荷载的增加而增加 ， 当管 道 内的塑性区扩展 达到极限状态 ， 即使外力荷载不再增加 ， 管道仍将 产生不可限制的塑性流动 ， 直 至破 坏。因此在管 系的应力分析 中， 首先应使一 次应力满足许用应 力值。管道承受的内压 、 自重 、 介质重量等持续外 收稿 日期 ： 2 0 1 41 0 2 0 。 作者简介： 于国鹏， 男， 2 0 0 9年毕业 于中国石油大学 ( 北京) 油气储运专业， 工程师， 一直从事炼油厂和石 油化工储运 系统 、 输 油管道 等 工程设 计和 研 究 工作。 联 系电话 ： 0 1 08 4 8 7 5 2 0 8 ： Ema i l ： y u g a o p e n g s e i nm n 2 0 1 5年第 3期( 第 3 2卷) 于国鹏等 L N G罐区低温管道应力分析 2 3 部载荷产生的应力均属一次应力 。 A S ME B 3 1 3规定的一次应力表达式为 ： F PD M 0 “ 1 t“L 7 - + + 一W 式 中： o r 一次应力 ， P a ； or 。 管道轴向应力 ， P a ( 下同) ； 卜压力引起轴向力之外的附加轴向力， N； 管道横截面积 ， m ； P 管道设计压力 ， P a ； D 管道平均直径 ， m； s 管道壁厚， m； 一 管道合成弯矩 ， N m； 管道抗弯截面模量 ， m 。 。 A S M E B 3 1 3规定的一次应力校核标准为 ： orL h 式 中： or 管道材料在低温状态下的许用应 力 ， P a ( 下同) 。 1 3 2二 次应 力 二次应力是 由于变形受到约束所产生 的正应 力或剪应力 ， 它本身不直接与外力平衡。特征是 ： 1 ) 管道 内二次应力通常是由位移载荷引起 的 ( 如热膨胀 、 附加位移 、 安装误差和振动荷载等) ； 2 ) 二次应力是 自限性的 ， 当局部屈 服和产生 少量塑性变形时， 通过变形协调就能使应力降低； 3 ) 二次应力是周期性 的( 不包括安装 引起的 二次应力) ； 4 ) 二次应力的许用极限主要基于周期性和疲 劳断裂模式 ， 取决于交变的应力范 围和交 变的循 环次数 。 A S ME B 3 1 3规定的二次应力表达式为： ( ) + ( o ) + 2 E 一 式 中： 2 二次应力 ， P a ； o r 管道位移应力 ， P a ( 下 同) ； 平面内应力增大系数 ； 平面内热胀弯曲力矩 ， N m； 平面外应力增大系数 ； 眠平面外热胀弯曲力矩， N m； M 扭矩 ， N m； 管道抗弯截面模量 ， m 。 A S ME B 3 1 3规定的二次应力校核标准为 ： or E or A 【 or A = 1 2 5 or + or h _ or L 式 中： or 许用位移应力 ， P a ； 卜管道位移应力减小系数 ； or 管道材料在预计最低温度下 的许 用应力 ， P a 。 2 管道建模 2 1 模型选取 本文选取 L N G罐区的储罐进 口线进行应力分 析， 因其具有大管径 、 管 道布置走向较 复杂 、 管架 支托多样性 等特点 ， 对其进行应力分析具有较好 的代表性。 2 2 模型参数输入 管道材料选用不锈钢 ( 1 9 2 ) A 3 5 8 3 0 4 ； 管道操 作温度和操作压力分别选其设计温度 一1 7 0 o C和 设计压力 1 7 5 M P a ( G ) ； 管道保冷层厚度为 2 1 0 m m， 保冷材料 密度 为 1 2 8 1 6 k g m ； 地 震加速度 U x=U z = 0 1 g s ； 风速为 1 2 4 6 6 7 m s ， 几何形状 系数 0 7 ； 弯头处水击力 2 0 t 。 2 3 模型建立 从满足一次应力角度 出发 ， 通常需增设管道 支 吊架的数量 ， 而增设 支 吊架又不利于管道通过 自由变形 降低二次应力 ， 因此在配管工作 中， 应合 理布置支吊架的位置和数量 ， 并借助 盯形弯、 弹簧 等辅助作用 ， 降低一 次载荷和二次载荷造成 的应 力 ， 以达到满足许用应力要求。管道模型见图 1 。 Y z q X 图 1 进 口管道模型示意 2 4 载荷工况选取 本文在对 L N G管系进行应力分析时 ， 考虑了 重力载荷 、 温度载荷 l 、 压力载荷 P 1 ( 内压) 、 风 石 油 化 工 设 计 2 0 1 5年第 3 期( 第3 2 卷) 载荷 WI N1 、 地 震载 荷 1与 、 水锤 载 荷工 况 F l ， 并按 照应 力载荷分类 ， 分别对相应 载荷工况 ( L 1 L 1 5 ) 下产生的应力进行校核分析 。其中： 温 度载荷属于二次应力载荷 ， 对应工况为低温工况 ； 重力载荷和压力载荷属于一次应力载荷 ， 对应工 况为安装工况 ； 风载荷 、 地震载荷和水锤载荷同属 于一次应力载荷 ， 但对应工况属于偶然性工况 ， 偶 然性工况在应力分析时不考虑同时发生。地震载 荷在发生时 ， 对被作用物体往往表现 为只产生一 个方向的重力加速度作用 ， 因此不考虑 ( 1 、 U 2 ) 同时发生即叠加的工况 ， 各载荷工况组合详见表 1 。 表 1 载荷工况组合 载荷工况 应力类型 1： +P1+ T 1 L 2：W +P1+ T I+ WV l L 3：W +P1+T 1+Ul ：W +P1+T 1+U2 5 ：W +PI+T 1+F1 ,6：W +P1 L 7：L 1一 f o L 8：L 2一L 1 L 9：L 8+L 6 L1 0：L 3 一L 1 L1 1：L 4一L 1 L1 2： 一 l L 1 3：L1 0 + 6 L 1 4：L1 1+L 6 L 1 5：L1 2+L 7 注 ： O P E为操作工况 ； S U S为冷态工况 ； E XP为热态工况 ； O C C为 偶然工况 。 2 5 计算结果分析 通过 C A E S A R I I 应力分析软件得出 ： 1 ) 此管路模 型变 形量较大 、 受力载荷较复杂 段发生在罐前支线节点处 ， 这是 由于罐前支线管 径相对主管较小 、 管道布置补偿弯较多， 因此在受 力后表现 出 比较 柔和状 态， 产 生较 大的变形 量。 主要表现为罐前支线局部将 向上拱起 ， 造成节点 3 3 0 、 6 0 3 0 、 6 0 4 0 、 6 0 5 0和 6 1 5 0发生脱空现象 ( 见表 2 ) ， 导致此段管架支撑失载 ， 而使相邻承载的管架 超载 ， 以至于载荷过于集 中。为缓 解这一不利 因 素， 模型将借助弹簧支 吊架的辅助作用 ， 即在节点 6 0 5 0和节点 6 1 5 0处采 用弹簧管托。 由于弹簧管 托既能承受荷载 ， 又允许存在垂直位移 ， 解决 了管 道有垂直位移时的支撑 问题 ， 分担 了管道 重力荷 载， 并增加了管道 的柔性 ； 2 ) 罐前支线在操作工况时 由于低温作用而收 缩变形 ， 导致管道沿轴 向方 向( X方向) 产生较大 位移( 见表 3 ) 。为缓解这一不利 因素， 模型将借 助冷紧单元 的辅 助作用 ， 即取罐前支线低温状态 时收缩量的 5 0 长度单元作为安装工况时的冷紧 单元 ， 以缓解 管道在 低温操 作条件 下 的收 缩量。 模型采用弹簧管托和冷紧单 元后 ， 罐前支线管道 模型局部放大 ( 见图 2 ) 。 表 2 罐前管子节点的 Y方 向位移 D Y m m 表 3 罐前管子节点 的 x方 向位移 DX l n n l 图 2罐前支管模型 2 6 载 荷工 况重 组及 应 力校核 由于引用了弹簧管托和冷 紧单元 ， 载荷工况 发生了变化 ， 因此需对工况 1 进行重新定 义 ( H代表弹簧支撑作用 、 C s代表冷 紧单元作用 ) ， 并重新校核一次应力 、 二 次应 力。载荷工况组 合 及应力校核结果详见表 4和表 5 。 表 4 载荷工况组合 载荷工况 应力类型 1： + n+P1+日 +cs L 2： +Pl+n+日 +C S + W l ： +Pl+ n+日 +cs + 1 L 4： +P1+ 1+ +C Js + L 5： +P1+ n+日 +CS + l L 6： +P1+ +C S ( O P E ) ( O P E ) ( O P E ) ( O P E ) ( O P E ) ( S U S ) ；i； E E E E E S P C C C C C C C C P P P P P U X C C C C C C C C O O O 0 O E 0 0 0 0 O 0 0 0 vvv(；l l( 2 0 1 5年第 3期( 第 3 2卷) 于国鹏等 L N G罐区低温管道应力分析 2 5 表 5 应力校核 载荷工况 应力载荷极大值 k P a许用应力 k P a比值 ， 从表 4得 出： 引用 了弹簧管托 和冷紧单元后 ， 在安装工况和低温工况下 ， 所有管道节点处 的综 合应力极大值均满足许用应力要求。此处需说明 的是： 对于偶然工况的校核， 即使综合应力超过了 许用应力 ， 但也不应因此认为模型建立不合理 ， 因 为 A S ME B 3 1 3中规定在偶然性工况下 ， 综合应力 符合下列条件之一是可 以接受 的 ： 偶然载荷 一 次不超过 1 0 h ， 且每年累计不超过 1 0 0 h时， 综合 应力不大于许用应力 3 3 ； 偶 然载荷一次 不超 过 5 0 h ， 且每年累计不超过5 0 0 h时， 综合应力不 大于许用应力 的 2 0 。因此 ， 在对偶然工况许用 应力取值时 ， 不应简单取其值的 1 0 0 作为校核标 准 。 2 7 计算结果分析 罐前支线节点的位移详见表6和表7 。 表 6 罐前管道节点的 Y方 向位移 D Y m m 载 荷工况 蔓盛 n n n ndn n n 1 n 1 ( O P E ) 2 ( O P E ) 3 ( O P E ) 4 ( O P E ) 5 ( O P E ) 表 7 罐前管道节点的 X方 向位移 D X m m 表 6与表 2对 比可 以看 出 ： 在采用弹簧管托 后 ， 模型 2的更多管架发挥了支撑作用 ， 将使管子 受力相对均匀 ， 防止管 子应 力过于集 中导致 管子 屈服甚至破坏 ； 表 7与表 3对 比可 以看 出： 模型 2 在采用冷 紧单 元后 ， 罐前支 线沿轴 向方 向 ( X方 向) 应变量明显减小 ， 这是 由于冷紧单元抵 消了一 部分低温状态时 的收缩量 ， 从 而降低 管道在低温 状态时的热胀力和对约束端 的水平推力。因此模 型 2在借助弹簧支 吊架和冷紧单元后 ， 位移变形 及受力载荷明显优于模型 1 。但 同时需注意 ， 虽然 在操作工况和安装工况时 ， 更 多的管架 发挥了承 载作用 ， 但是节点 6 0 4 0在操作工况时管架仍然失 载 ， 表现为 Y方 向约束力为零 和产生 +Y方 向位 移。而表 4中定 义的 C A S E 6( S U S ) 安 装工况对 应力 的校核是基于所有管架均受力时对管 系的应 力校核 ， 此时的一次应力校核过于保守 ， 计算结果 失真。因此可 以认为 ， 为与实 际情况模拟一致 ， 安 装工况时应不考虑节点 6 0 4 0处 的管架支撑作用 ， 即取消模型 中该节点处 的 +Y方向约束 ， 再次对 管系进行一次应力校核。从校核结果( 表 8 ) 中可 以看到 ， 在 不考 虑节点 6 0 4 0处 的管架 支撑作 用 后 ， 一次应力仍能满足许用应力要求。 表 8应 力 校 核 载荷工况 应力载荷极 大值 k P a许用应力 k P a 比值 ， C AS E 6( S U S )4 9 3 l 1 3 1 1 5 1 3 5 9 4 2 8 3 结 语 本文采 用 C A E S A R I I应力分 析软件 对 L N G 罐区低温管道进行 了应力分析 ， 考虑了重力载荷 、 温度载荷 、 压力载荷 ( 内压 ) 、 风载荷 、 地震载荷和 水锤载荷工