王 乾，萬人杰，趙 斌，崔艷紅

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

液化天然氣接收終端的主要功能是接收、存儲和再汽化LNG(液化天然氣，下同)，并通過天然氣管網(wǎng)向電廠和城市用戶供氣[1]。接收終端按作用一般分為：LNG卸船碼頭區(qū)、LNG接收站區(qū)和LNG儲罐區(qū)[2]。

卸料系統(tǒng)用于連接LNG碼頭、接收站和儲罐，管道系統(tǒng)復(fù)雜，尺寸大(超過DN900 mm)是液化天然氣接收終端生產(chǎn)作業(yè)的重要保障，除考慮受到重力、溫度和壓力等基本載荷作用外，還需要考慮接卸船、裝船和排放過程中，水錘和安全閥泄放載荷及位移載荷對管道的影響，以及這些載荷產(chǎn)生的疲勞破壞。管道一旦失效，將對整個(gè)接收終端的安全運(yùn)行造成威脅，甚至造成安全生產(chǎn)事故，因此必須要對管道進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，保證項(xiàng)目安全運(yùn)行。

文章以某項(xiàng)目LNG卸料系統(tǒng)為例，研究重力、溫度、壓力、風(fēng)載、冰雪、水錘、地震、位移等載荷對管道的作用影響，應(yīng)用CAESARⅡ軟件編制OBE和SSE應(yīng)力工況，分析了管道靜態(tài)和模態(tài)分析的計(jì)算方法和分析內(nèi)容，對管道系統(tǒng)在不同設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行評估，為LNG接收終端的管道應(yīng)力分析工作提供借鑒。管道應(yīng)力模型見圖1。

圖1 管道應(yīng)力模型Fig.1 Pipe stress model

1 管道載荷分析

LNG卸料系統(tǒng)承受載荷包括重力、溫度、壓力、風(fēng)載、冰雪、水錘、地震、位移等，根據(jù)ASME B31.3《工藝管道》相關(guān)規(guī)定，管道載荷分為持續(xù)載荷、位移載荷和偶然載荷[3，6]。持續(xù)載荷主要是由管道及閥門等附屬物的重力和系統(tǒng)壓力，位移載荷是由管道溫度變化及建構(gòu)物變形或地基沉降產(chǎn)生，偶然載荷是風(fēng)載、冰雪、水錘、地震等載荷。

管道系統(tǒng)分析應(yīng)考慮操作基準(zhǔn)地震(OBE)和安全停運(yùn)地震(SSE)工況設(shè)計(jì)。其中，OBE工況為5%阻尼反應(yīng)譜所反映的運(yùn)行50 a的超越概率為10%(平均重現(xiàn)期475 a)，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工況。SSE工況為5%阻尼反應(yīng)譜所反映的運(yùn)行100 a的超越概率為2%(平均重現(xiàn)期4 975 a)，基本失效保護(hù)功能和機(jī)械裝置設(shè)計(jì)能承受的最大地震活動工況。

1.1 地震載荷

對于地震載荷，管道應(yīng)力計(jì)算中采用當(dāng)量靜態(tài)載荷分析。管道水平地震載荷按公式(1)進(jìn)行計(jì)算，垂直地震載荷取水平載荷的2/3。

q=α1mg

(1)

式中：q——管道水平地震載荷；α1——與管系基本自振周期相對應(yīng)的水平地震影響系數(shù)；m——管道質(zhì)量；g——重力加速度。

由LNG儲罐支撐的管道及儲罐到緊急關(guān)斷閥之間的卸料系統(tǒng)管道按OBE和SSE工況核算，其他部分管道按OBE工況設(shè)計(jì)即可。各工況地震參數(shù)依據(jù)項(xiàng)目地震監(jiān)測數(shù)據(jù)報(bào)告，項(xiàng)目水平方向地震加速值見表1。

表1 水平方向地震加速取值Tab.1 Horizontal seismic acceleration value

1.2 風(fēng)載荷

卸料系統(tǒng)管道戶外布置且位置較高，管道受風(fēng)載荷影響。風(fēng)載一般通過風(fēng)速或風(fēng)壓進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)先確定風(fēng)型系數(shù)，然后根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髨?bào)告編制風(fēng)壓或風(fēng)速與標(biāo)高關(guān)系表，一般而言，風(fēng)速取當(dāng)?shù)匕倌暌挥? s陣風(fēng)風(fēng)速，風(fēng)壓按設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓計(jì)算。項(xiàng)目風(fēng)載荷參數(shù)見表2。

表2 風(fēng)載荷參數(shù)Tab.2 Wind load parameters

1.3 冰雪載荷

處于嚴(yán)寒地區(qū)的LNG接收終端冬季會存在冰雪天氣，未設(shè)保溫層管道需考慮冰雪載荷，一般只考慮作用在水平管道上，按偶然載荷考慮，并按照均布載荷進(jìn)行分析計(jì)算。

此項(xiàng)目中，冰載荷按25 mm厚度，基本雪壓按300 N/m2計(jì)算。

1.4 水錘載荷

卸料管道從LNG碼頭到儲罐頂部，管道尺寸大距離遠(yuǎn)，在啟泵、停泵、開關(guān)閥門動作時(shí)，由于介質(zhì)流量流速發(fā)生變化，在管道走向改變的地方(如彎頭或三通)產(chǎn)生水錘力。過大的水錘力會引起管道振動，破壞管道連接，危害管道安全，因此卸料系統(tǒng)管道必須進(jìn)行水錘力分析。

管道水錘分析一般借助工藝計(jì)算軟件(如PIPENET，AFT等)，在軟件中建立管系模型，計(jì)算不同工況下的不同位置的載荷值。將計(jì)算出的動載荷乘以放大系數(shù)(一般取1.5～2.0)后按等效靜載荷加載到應(yīng)力分析按偶然載荷核算。

1.5 位移載荷

位移載荷會引起管道二次應(yīng)力超標(biāo)，危害管道安全。卸料管道的位移載荷有三種：(1)LNG碼頭棧橋由波浪引起的周期性位移變化；(2)接收站及儲罐樁基沉降引起支架位移變化；(3)連接的設(shè)備管口由于溫差導(dǎo)致的位移變化。

以上三類位移數(shù)值由相關(guān)專業(yè)或廠家提供，導(dǎo)入到應(yīng)力分析中，按二次應(yīng)力進(jìn)行核算。

項(xiàng)目中儲罐沉降按25 mm整體考慮，接收站沉降按15 mm～25 mm局部考慮。

2 管道應(yīng)力分析方法

LNG終端卸料管道系統(tǒng)主要依據(jù)ASME B31.3《工藝管道》為主設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合國內(nèi)相關(guān)規(guī)范，分析管道系統(tǒng)載荷，對管道應(yīng)力水平、設(shè)備管口載荷、法蘭泄露、管道位移及支架受力等進(jìn)行校核。其中，管道應(yīng)力校核分為靜態(tài)、模態(tài)和疲勞分析三方面。

2.1 管道靜態(tài)受力分析

管道靜態(tài)分析是指靜載荷作用下的受力分析，即系統(tǒng)載荷響應(yīng)不隨時(shí)間變化而變化或發(fā)生緩慢響應(yīng)的載荷。管道靜態(tài)應(yīng)力分為持續(xù)應(yīng)力、位移應(yīng)力和偶然應(yīng)力[2，6]。

持續(xù)應(yīng)力是由于壓力、重力及其他外力載荷的作用產(chǎn)生的應(yīng)力，隨外力載荷的增加而增大。其校核準(zhǔn)則：

(2)

式中：SL——持續(xù)應(yīng)力；Sa——縱向載荷引起的管道應(yīng)力；Sb——彎矩引起的管道應(yīng)力；St——扭矩引起的管道應(yīng)力；Sh——管道材料在預(yù)計(jì)最高溫度下的許用應(yīng)力。

位移應(yīng)力是由于熱脹冷縮、沉降等位移載荷的作用產(chǎn)生的應(yīng)力，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。其校核準(zhǔn)則：

SE

(3)

式中：SE——位移應(yīng)力；SA——管道材料許用位移應(yīng)力范圍；Sc——管道材料在預(yù)計(jì)最低溫度下的許用應(yīng)力；Sh——管道材料在預(yù)計(jì)最高溫度下的許用應(yīng)力；f——許用應(yīng)力范圍減小系數(shù)。

偶然應(yīng)力是風(fēng)、地震等偶然載荷和持續(xù)載荷的應(yīng)力之和。卸料系統(tǒng)管道中由LNG儲罐支撐的管道及儲罐到緊急關(guān)斷閥之間的卸料系統(tǒng)管道按OBE和SSE工況核算，其他部分管道按OBE工況設(shè)計(jì)。

OBE工況下，偶然應(yīng)力校核準(zhǔn)則：

So<1.33Sh

(4)

式中：So——偶然應(yīng)力；Sh——管道材料在預(yù)計(jì)最高溫度下的許用應(yīng)力。

SSE工況下，偶然應(yīng)力校核準(zhǔn)則：

So

(5)

式中：So——偶然應(yīng)力；So——管道材料的最高溫度下的屈服強(qiáng)度。

2.2 管道模態(tài)分析

管道模態(tài)分析是為了保證管道系統(tǒng)的剛度，使管道在運(yùn)行過程中不受輕微干擾，防止系統(tǒng)產(chǎn)生共振，造成管道疲勞和破壞。管道剛度與系統(tǒng)固有頻率相關(guān)，固有頻率越高，管道系統(tǒng)剛度越大。為保證系統(tǒng)剛度，需要提高管道的固有頻率。

管道系統(tǒng)固有頻率要避開設(shè)備的運(yùn)行頻率以免發(fā)生共振，設(shè)計(jì)中應(yīng)使管道固有頻率高于某個(gè)值，以避開易振范圍，最低固有頻率一般高于2.55 Hz[2]。對于與離心和往復(fù)設(shè)備相連的管道而言，一般會超過設(shè)備本征頻率的2倍，工程上采用5.0 Hz和8.0 Hz作為離心和往復(fù)設(shè)備相連管道的最低固有頻率值。

卸料系統(tǒng)最低階固有頻率至少大于2.55 Hz。

2.3 管道疲勞分析

卸料管道在碼頭棧橋部分管道，由于棧橋受波浪載荷會導(dǎo)致產(chǎn)生周期性結(jié)構(gòu)位移變化，對于管道可能出現(xiàn)的疲勞破壞需要進(jìn)行評估。

項(xiàng)目采用循環(huán)當(dāng)量折算法。循環(huán)當(dāng)量折算法是根據(jù)管道預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)周期內(nèi)的循環(huán)次數(shù)求出位移應(yīng)力的減小系數(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。當(dāng)載荷循環(huán)次數(shù)較少時(shí)(低于7 000次)，管道應(yīng)力滿足位移應(yīng)力校核就可以避免低周疲勞，當(dāng)載荷循環(huán)次數(shù)較多時(shí)(高于7 000次)，通過公式(6)計(jì)算許用應(yīng)力范圍減小系數(shù)f，并帶入公式(3)以減小許用位移應(yīng)力范圍，避免管道高周疲勞[3]。

f=6.0(N)-0.2≤fm

(6)

式中：f——許用應(yīng)力范圍減小系數(shù)；N——當(dāng)量循環(huán)次數(shù)；fm——最大折減系數(shù)，取1.2。

經(jīng)核算此項(xiàng)目中棧橋疲勞工況的當(dāng)量循環(huán)次數(shù)為58 650，按式(6)計(jì)算為0.67。

3 應(yīng)力分析工況

建立符合規(guī)范和管道實(shí)際運(yùn)行情況的工況文件，是管道應(yīng)力分析是否準(zhǔn)確和真實(shí)的關(guān)鍵因素。在應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ中，管道計(jì)算工況分為基本工況和組合工況，基本工況可以是獨(dú)立的載荷也可以是同時(shí)發(fā)生的不同載荷，組合工況是對基本工況的組合運(yùn)算[7]。

3.1 基本工況

基本工況是管道實(shí)際承受載荷的受力工況，以便模擬管道在不同壓力、溫度及偶然載荷下的受力情況，主要包括：水壓試驗(yàn)工況、不同溫度壓力下的操作工況以及對應(yīng)的持續(xù)工況。

基本工況是組合工況的基礎(chǔ)，是整個(gè)工況文件是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵。

3.2 組合工況

組合工況是通過運(yùn)算組合將兩個(gè)或多個(gè)基本工況進(jìn)行組合，以獲得規(guī)范中規(guī)定的應(yīng)力水平或載荷情況，主要包括：膨脹工況，偶然工況及疲勞工況。

工況組合的類型和數(shù)量應(yīng)按項(xiàng)目和考慮載荷等因素不一而同，但都至少需要滿足規(guī)范規(guī)定的位移應(yīng)力和偶然應(yīng)力的評估。

3.3 工況組合方式

工況組合方式是將兩個(gè)或多個(gè)工況進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，計(jì)算出符合項(xiàng)目需要的應(yīng)力和載荷工況，CAESARⅡ中常用的組合運(yùn)算方式有代數(shù)合成、標(biāo)量合成、算術(shù)平方根合成、絕對值加和合成、最大及最小值篩選等。

代數(shù)合成(Algebraic)，一般用于兩個(gè)工況之間的減運(yùn)算，分別求解相關(guān)工況的位移后再近些減運(yùn)算得到位移差，通過得到的位移來求解推力、彎矩和節(jié)點(diǎn)應(yīng)力。在求純偶然載荷工況時(shí)采用。

標(biāo)量合成(Scalar)，一般用于兩個(gè)工況之間的加運(yùn)算，分別求解相關(guān)工況的應(yīng)力后進(jìn)行疊加，合成工況不再單獨(dú)計(jì)算各工況位移。在求解持續(xù)載荷與純偶然載荷的合成工況時(shí)采用。

算術(shù)平方根合成(SRSS)，一般用于兩個(gè)工況之間的加運(yùn)算，工況推力、位移及節(jié)點(diǎn)應(yīng)力采用平方和后開方的計(jì)算形式。在求解靜態(tài)地震中各向加速度工況時(shí)采用。

最大值篩選及最小值篩選(MAX MIN)，一般用于篩選工況，對各工況推力、位移及節(jié)點(diǎn)應(yīng)力絕對值進(jìn)行比較后選取。在選取規(guī)范應(yīng)力、支架載荷及位移時(shí)采用。

3.4 接收站設(shè)計(jì)工況

LNG接受終端管道所受載荷為：管道充水重WW，管道自身重W，水壓試驗(yàn)壓力HP，設(shè)計(jì)壓力P1，操作溫度T1，最高設(shè)計(jì)溫度T2，最低設(shè)計(jì)溫度T3，不同溫度下管道附加位移D1～D3，風(fēng)載荷WIN1和WIN2(南北和東西方向)，地震載荷U1～U3(水平和垂直方向)，附加偶然載荷(水錘力)F，根據(jù)這些載荷的作用性質(zhì)及規(guī)范中對應(yīng)的分析方法，采用符合項(xiàng)目實(shí)際的工作組合方式定義了58種計(jì)算工況。其中，基本工況30中，組合工況28種。

基本工況中有1種水壓試驗(yàn)工況(WW+HP+H)、1種持續(xù)應(yīng)力工況(W+P+H)、14種操作工況及14對應(yīng)的熱態(tài)持續(xù)應(yīng)力工況。操作工況中包含：3種重量、壓力、溫度及位移工況(W+D+T+P+H)，4種重量、壓力、溫度、位移及風(fēng)載工況(W+D+T+P+H±WIN)，6種重量、壓力、溫度、位移及地震工況(W+D+T+P+H±U)以及1種重量、壓力、溫度、位移及水錘力工況(W+D+T+P+H±F)。

組合工況有1種最大持續(xù)應(yīng)力工況(所有持續(xù)應(yīng)力工況取極大值)，1種最大操作工況(所有操作工況取極大值)，17種偶然應(yīng)力工況(利用代數(shù)減運(yùn)算得到純偶然載荷后與最大持續(xù)應(yīng)力工況標(biāo)量加和運(yùn)算)，3種位移應(yīng)力工況(不同溫度的操作工況之間進(jìn)行代數(shù)減運(yùn)算)以及6種疲勞應(yīng)力工況(考慮疲勞循環(huán)當(dāng)量情況下，不同位移的操作工況之間代數(shù)減運(yùn)算)。

4 應(yīng)力分析評估

除規(guī)范應(yīng)力校核之外，LNG接受終端卸料管道還需評估管道位移、設(shè)備管口載荷等內(nèi)容，且在分析過程中需要進(jìn)行特殊考慮。

4.1 應(yīng)力分析評估內(nèi)容

項(xiàng)目應(yīng)力分析內(nèi)容應(yīng)至少包含以下內(nèi)容[5-6]：

(1)校核管道應(yīng)力，使其滿足ASME B31.3中的規(guī)范應(yīng)力要求。

(2)校核設(shè)備管口受力，使其滿足相應(yīng)規(guī)范或廠家要求。

(3)校核管道支吊架類型和載荷情況，確保支架滿足設(shè)計(jì)要求，確保承載建構(gòu)筑物滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)進(jìn)行法蘭泄漏分析，防止法蘭連接處發(fā)生泄漏。

(5)校核管道位移，防止位移過大出現(xiàn)碰撞及管托發(fā)生脫落。

(6)進(jìn)行模態(tài)分析，保證管道系統(tǒng)的剛度，不發(fā)生共振。

4.2 特殊設(shè)計(jì)

鑒于卸料系統(tǒng)管道的特性(超低溫、薄壁大尺寸、水錘載荷大)，在應(yīng)力分析過程中需要注意以下特殊點(diǎn)。

(1)管道使用自然補(bǔ)償，嚴(yán)禁使用阻尼器或膨脹節(jié)等原件。卸料系統(tǒng)中輸送液化天然氣屬于危險(xiǎn)性高的介質(zhì)，為提高系統(tǒng)的安全性，不使用阻尼器或膨脹節(jié)等原件，管道柔性采用自然補(bǔ)償方式。

(2)考慮管道熱拱效應(yīng)。卸料管道由于尺寸大，在冷卻過程中，管道上下部出現(xiàn)溫度梯度，管道撓度出現(xiàn)凸變形，會導(dǎo)致部分支吊架脫空，造成其他支架超載引起管道應(yīng)力過大甚至管道失穩(wěn)和破壞。

(3)彎頭應(yīng)力增大系數(shù)細(xì)化。為使管道系統(tǒng)應(yīng)力分析更真實(shí)可靠，對部分大尺寸彎頭、三通等元件使用有限元軟件進(jìn)行彎頭應(yīng)力增大系數(shù)的計(jì)算，并將結(jié)果返回到CAESARⅡ軟件中，以保證大尺寸管道系統(tǒng)整體應(yīng)力分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(4)SSE工況核算。由LNG儲罐支撐的管道及儲罐到緊急關(guān)斷閥之間的卸料系統(tǒng)管道需要進(jìn)行OBE和SSE工況核算，其中SSE工況的許用應(yīng)力為管材的屈服強(qiáng)度。

(5)合理設(shè)置彈簧支吊架。上儲罐布置布置的卸料管道長度大約為35 m左右，由于熱脹冷縮立管產(chǎn)生冷縮，致使水平管道部分支架長期脫空，影響管系安全，需要在適合的地方設(shè)置彈簧支吊架，一般采用恒力彈簧支吊架。

5 總結(jié)

LNG接受終端管道系統(tǒng)復(fù)雜，尺寸大，超低溫工況操作，綜合考慮作用在卸料系統(tǒng)重力、溫度、壓力、風(fēng)載、冰雪、水錘、地震、位移等載荷對管道的作用影響并進(jìn)行分類研究，根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管道應(yīng)力分析方法研究，應(yīng)用CAESARⅡ軟件編制應(yīng)力分析工況，對管道進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)分析計(jì)算，明確了管道應(yīng)力分析內(nèi)容和特殊設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地論述了低溫管道應(yīng)力分析的全過程工作，為后續(xù)LNG接收終端的管道應(yīng)力分析工作提供借鑒。