王乾

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

LNG是液化天然氣(Liquefied Natural Gas)的英文簡稱，是由天然氣在常壓下冷卻到-162℃轉(zhuǎn)變成液態(tài)而成，其體積是氣態(tài)的1/600，具有能效高、易于運輸和儲存的特點。在LNG產(chǎn)業(yè)的設(shè)計和建設(shè)中，為了保證管道自身和與其相連的設(shè)備、支吊架及土建結(jié)構(gòu)的安全，管道的應(yīng)力分析至關(guān)重要。

圖1 LNG接收站規(guī)劃圖

1 管道應(yīng)力分析方法

在管道應(yīng)力分析工作中通常采用國際上通用的管道應(yīng)力分析標(biāo)準(zhǔn)，主要以美國ASME B 31系列標(biāo)準(zhǔn)[1]。在LNG管道的分析中儲罐和接收站中的管道采用ASME B31.3《工藝管道》為準(zhǔn)，總站后的外輸氣總管采用ASME B31.8《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》為準(zhǔn)。超低溫管道應(yīng)力分析分為靜態(tài)、動態(tài)和疲勞分析三個方面。

1.1管道靜態(tài)分析

管道靜態(tài)分析是指管道受靜載荷作用下的受力分析，包括重力載荷（管道自身、保溫及管道內(nèi)介質(zhì)重量）、壓力載荷（管道介質(zhì)壓力）、管道偶然載荷（風(fēng)、浪等作用）及位移載荷（管道熱應(yīng)力及附加移位作用）。管道靜力劃分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力及偶然應(yīng)力。以上三種應(yīng)力一般稱為規(guī)范應(yīng)力。

一次應(yīng)力：由于壓力、重力及其他外力載荷的作用產(chǎn)生的應(yīng)力，它是平衡外力載荷所需的應(yīng)力，隨外力載荷的增加而增加。一次應(yīng)力的特點是無自限性，即當(dāng)管道內(nèi)的塑性區(qū)擴(kuò)展達(dá)到極限狀態(tài)，使之變成幾何可變機(jī)構(gòu)時，即使外力載荷不再增加，管道仍將產(chǎn)生不可限制的塑性流動，直至破壞[2]。

ASME 31.3中規(guī)定的一次應(yīng)力校核條件是：管道中壓力重力和其他持續(xù)性載荷所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力σL不超過材料在預(yù)計最高溫度下的許用應(yīng)力[σ]h，即：

二次應(yīng)力：由于熱脹、冷縮端點位移等位移載荷的作用產(chǎn)生的應(yīng)力，它不直接與外力平衡，而是為滿足位移約束條件或管道自身變形的連續(xù)要求所必須的應(yīng)力，其具有自限性，即局部屈服或小量變形就可以使位移約束條件或自身連續(xù)要求得到滿足，從而不再繼續(xù)增大[2]。ASME 31.3中規(guī)定的二次應(yīng)力校核條件是：管道中熱脹、冷縮端點位移等位移載荷所產(chǎn)生的位移應(yīng)力σE不超過材料在預(yù)計最高溫度下的許用應(yīng)力SA，即：

偶然應(yīng)力：風(fēng)、浪、流等非持續(xù)性載荷產(chǎn)生的一次應(yīng)力，但由于是非持續(xù)性載荷，因此在校核上相對一次應(yīng)力會寬松，即其許用應(yīng)力會乘以一個大于1的系數(shù)。

ASME 31.3中規(guī)定的偶然應(yīng)力校核條件是：管道受到壓力、重力、其他持續(xù)載荷和偶然載荷產(chǎn)生的縱向應(yīng)力σLO不超過材料在預(yù)計最高溫度下的許用應(yīng)力[σ]h與許用應(yīng)力系數(shù)K（一般取1.33）的乘積，即：

1.2 管道動態(tài)分析

管道動態(tài)分析是指管道受動載荷作用下的受力分析，動載荷指隨著時間迅速變化的載荷，管道系統(tǒng)不足以瞬間將其分散，產(chǎn)生不平衡載荷，使管道發(fā)生運動。其中包括地震、水錘、氣錘、振動、安全閥泄放反力等。

動態(tài)分析的內(nèi)容包括：管道固有頻率分析，沖擊載荷作用下的管道應(yīng)力分析，管道強(qiáng)迫振動響應(yīng)分析，往復(fù)壓縮機(jī)（泵）氣（液）柱頻率分析及往復(fù)壓縮機(jī)（泵）脈動分析。往復(fù)壓縮機(jī)（泵）的相關(guān)分析是為了防止氣柱共振和控制壓力脈動，防止造成系統(tǒng)共振，此項工作一般由壓縮機(jī)（泵）廠家進(jìn)行計算校核，工程設(shè)計單位進(jìn)行協(xié)助設(shè)計，本文不再贅述。

管道固有頻率分析目的是防止管道系統(tǒng)的共振，管道系統(tǒng)的固有頻率往往要避開設(shè)備的運行頻率以免發(fā)生共振，一般而言頻率高的管道不易發(fā)生振動，使管道固有頻率高于某個值，以達(dá)到不發(fā)生共振的條件。國內(nèi)規(guī)范中無相應(yīng)規(guī)定，一般工程公司會制定一個經(jīng)驗值，如2.55Hz或3.0Hz[2]。對于與離心和往復(fù)設(shè)備相連的管道而言，工程上一般采用5.0Hz和8.0Hz作為離心和往復(fù)設(shè)備相連的管道的最低固有頻率值。

1.3 管道疲勞分析

管道疲勞的原因主要由以下因素導(dǎo)致：(1)管道的溫度或壓力交替變化；(2)振動源產(chǎn)生的周期性低幅高頻位移作用。管道疲勞校核的方法一般分為三種：(1)循環(huán)當(dāng)量折算法；(2)疲勞極限分析法；(3)疲勞積累損傷法。

循環(huán)當(dāng)量折算法是基于管道二次應(yīng)力校核的安定性原則，根據(jù)管道預(yù)計設(shè)計周期內(nèi)的循環(huán)次數(shù)求出位移應(yīng)力的減小系數(shù)（小于1.0），在二次應(yīng)力校核中使許用應(yīng)力值乘以該系數(shù)，以達(dá)到縮小位移應(yīng)力范圍的方法來達(dá)到避免管道疲勞。疲勞極限分析法是以材料的疲勞曲線（S-N曲線）為基礎(chǔ)，利用不同材質(zhì)管道的疲勞曲線對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，確保管道在疲勞工況下的最大位移應(yīng)力范圍小于疲勞曲線上對應(yīng)的應(yīng)力變化幅度即可[3]。疲勞積累損傷法是以Miner準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，即允許結(jié)構(gòu)上危險點應(yīng)力循環(huán)中的最大應(yīng)力值超過疲勞極限，當(dāng)最大應(yīng)力超過疲勞極限時，構(gòu)件內(nèi)部就會產(chǎn)生一定量的損傷。這種損傷是可以累積的，只有當(dāng)損傷累積到一定數(shù)值（即所謂臨界值）時，才發(fā)生疲勞破壞，這種損傷稱為積累損傷。

2 管道應(yīng)力分析內(nèi)容

在LNG管道應(yīng)力分析中，除規(guī)范應(yīng)力校核（一次應(yīng)力、二次應(yīng)力及偶然應(yīng)力）外，還需要進(jìn)行設(shè)備管口載荷評估、法蘭泄漏校核、管道位移評估及支架受力校核等分析內(nèi)容。

2.1 設(shè)備管口載荷評估

在設(shè)備校核過程中，按校核方法分為靜設(shè)備和動設(shè)備。對于靜設(shè)備，當(dāng)管道的作用力過大時，會造成設(shè)備管口變形、法蘭泄漏，通常做法是對不同溫壓等級的設(shè)備管口規(guī)定相應(yīng)的許用載荷，分析過程中計算荷載不超過許用荷載。對于動設(shè)備，當(dāng)管道反力過大時，會造成轉(zhuǎn)動設(shè)備轉(zhuǎn)子不對中、轉(zhuǎn)子與定子之間間隙過大、設(shè)備振動磨損、噪音過大等問題。常見的動設(shè)備有汽輪機(jī)、離心泵、壓縮機(jī)及透平，其管口校核應(yīng)遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或制造商標(biāo)準(zhǔn)，校核內(nèi)容相對靜設(shè)備會更復(fù)雜，不僅有管口受力及力矩的校核，還包含進(jìn)出口的聯(lián)合校核[3]。

2.2 法蘭泄漏校核

不同的法蘭適用不同的校核方法，但原理是相通的，都是校核溫壓條件下法蘭的受力，使其滿足許用條件。工程設(shè)計中，主要涉及以下兩種法蘭：ASME16.5法蘭和NORSOK法蘭。

ASME16.5法蘭主要使用ASME BPVC III Division1 NC分卷第3658.3節(jié)中的方法或Kellogg公司提出的壓力當(dāng)量法。但對于高磅級（≥600LB）時，壓力當(dāng)量法較為保守，計算結(jié)果可能導(dǎo)致整體的法蘭磅級升級，提高整個工程費用。

NORSOK緊湊型法蘭較傳統(tǒng)法蘭尺寸小、重量輕，許用的外部載荷比ASME B16.5的法蘭大，用于大口徑、高壓力管道。一般采用法蘭廠家提供的允許值進(jìn)行校核或者按照NORSOK L.005規(guī)范中的方法進(jìn)行核算。

2.3 管道位移評估

管道位移包括豎向和水平兩個方向的位移。ASME B31.3中并無相關(guān)的規(guī)定，但在工程設(shè)計中一般都會對豎直和水平方向有所限制。化工行業(yè)一般將1/2英寸（12.5mm）作為豎直方向（即管道撓度）的許用值，根據(jù)GB50316規(guī)定一般管道設(shè)計撓度不超過15mm，裝置外管道撓度適度放寬，但不超過38mm。管道水平方向位移無限制，但管道位移不能與周邊建構(gòu)物產(chǎn)生干涉，所以一般會規(guī)定水平位移值（如25mm），當(dāng)管道位移超過此值后應(yīng)檢查干涉問題。

2.4 支架受力校核

管道支架受力應(yīng)考慮全溫差工況和極端操作工況，但地震和風(fēng)等偶然載荷不疊加考慮。工程設(shè)計過程中，一般會有不同規(guī)格的支架載荷許用表，計算出的支架載荷在許用值以內(nèi)，一旦超出的話，可使用有限元方法對支架本體進(jìn)行詳細(xì)計算，隨后會將支架受力提交給土建或結(jié)構(gòu)等相關(guān)專業(yè)進(jìn)行核算。

3 LNG管道應(yīng)力分析中的特殊點

3.1 管道熱拱

LNG管道的熱拱產(chǎn)生有兩種情況：(1)預(yù)冷階段管道溫差。LNG管道系統(tǒng)在預(yù)冷階段，當(dāng)?shù)蜏匾旱M(jìn)入到管道中，在管道未充滿狀態(tài)前，由于液氮流速和注入點等因素，導(dǎo)致管道的上下表面產(chǎn)生較大溫度差從而導(dǎo)致熱拱；(2)輻射溫差。對于無保溫層的管道，當(dāng)金屬管道暴露在陽光下，內(nèi)部流體受熱不均，管道上下表面產(chǎn)生溫度差，產(chǎn)生熱拱現(xiàn)象[5]。熱拱不但會產(chǎn)生管道的熱應(yīng)力，還會產(chǎn)生管道彎曲位移，造成管道變形和支架脫空失效現(xiàn)象，從而產(chǎn)生管道應(yīng)力過大和管道破損泄漏的風(fēng)險。

對于輻射熱拱，一般采用在管道上噴涂反射油漆來減弱陽光輻射的吸收，從而減弱和避免輻射熱拱的發(fā)生。對于預(yù)冷階段熱拱，根據(jù)LNG管道預(yù)冷經(jīng)驗，一般在預(yù)冷階段采取控制預(yù)冷介質(zhì)流速流量等方法，宜使預(yù)冷控制在8～10℃/h，管道預(yù)冷溫差控制在50℃以內(nèi)能夠保證管道安全。因此在LNG管道應(yīng)力分析中需要對大尺寸管道采取50℃熱拱效應(yīng)考慮。

3.2 OBE和SSE工況校核

在LNG儲罐設(shè)計中根據(jù)BS EN 14620規(guī)范應(yīng)保證在OBE地震工況前后能夠保持運行，并且在SSE地震工況下具備包容LNG能力使儲罐不失效。OBE（操作基準(zhǔn)地震），不會造成損壞、不影響重新啟動和可以繼續(xù)安全操作的最大地震活動。SSE（安全停運地震），基本失效保護(hù)功能和機(jī)械裝置設(shè)計能承受的最大地震活動。

對于基礎(chǔ)生根在LNG儲罐上的管道在校核偶然載荷時應(yīng)考慮OBE和SSE工況都要滿足要求，在ASME B31.3中無關(guān)于操作基準(zhǔn)地震(OBE)和安全停運地震(SSE)的相關(guān)要求，工程設(shè)計中，OBE工況下的偶然應(yīng)力按照ASME B31.3中的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，即偶然載荷σLO小于1.33倍許用應(yīng)力[σ]h，SSE工況下的偶然應(yīng)力滿足屈服極限法，即偶然載荷σLO小于材料的屈服極限[σ]y，

圖2 LNG儲罐管道應(yīng)力模型

3.3 長直管道水錘

水錘是管道瞬變流動中的一種壓力波，它的產(chǎn)生是由于管道中某一截面的流速發(fā)生了改變。這種改變可能是正常的流量調(diào)節(jié)，或因事故使管道堵塞，從而使該處壓力產(chǎn)生突然的躍升或下降，管道水錘力主要作用在管道方向改變的地方，如彎頭、三通等處，可造成管道振動甚至破裂。工程計算中對水錘力的計算使用AFT等軟件進(jìn)行管道工藝計算，計算獲得管道載荷/時間作用

4 總結(jié)

本文結(jié)合多年的LNG管道應(yīng)力分析工作，闡述了LNG管道應(yīng)力的分析方法和特點，對各種荷載的校核方式進(jìn)行了歸納總結(jié)，并對LNG管道中的熱拱、不同地震工況校核及水錘力計算等特殊點進(jìn)行了詳細(xì)闡述并說明工程中的解決方案。LNG管道應(yīng)力分析工作是LNG站場和儲罐工程中的一項核心技術(shù)，對整個工程具有重要作用，希望本文能對相關(guān)專業(yè)同行進(jìn)行此類管道應(yīng)力分析時起到一定借鑒和啟發(fā)。