楊 亮 劉淼兒 范嘉堃 李方遒 英璽蓬 步宇峰 曹慧鑫 張凱侖 楊建業(yè) 楊志勛,2)

* (中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心,北京 100028)

? (大連理工大學(xué)寧波研究院,浙江寧波 315016)

** (哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

引言

天然氣是一種清潔、高效的低碳化石能源,是實(shí)現(xiàn)我國(guó)“碳達(dá)峰”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要能源基礎(chǔ).據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)天然氣消費(fèi)量由2000 年的2.45 × 1010m3增長(zhǎng)到了2020 年的3.28 × 1011m3,在全部能源結(jié)構(gòu)體系中的所占比例由2.2%上升到了8.4%[1].隨著天然氣能源消耗的快速增長(zhǎng),如何安全、可靠、高效地輸運(yùn)、存儲(chǔ)天然氣蘊(yùn)含了豐富的力學(xué)問(wèn)題與挑戰(zhàn).由于氣態(tài)下的天然氣密度較小,為減小其體積,通常以液態(tài)的形式進(jìn)行天然氣的運(yùn)輸和存儲(chǔ)[2-3],即液化天然氣(liquefied natural gas,LNG).在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,天然氣的沸點(diǎn)在-161℃左右[3],因此實(shí)際工程中通常需要在-161℃的超低溫環(huán)境下通過(guò)耐超低溫的管道進(jìn)行液化天然氣的輸運(yùn).常見的深遠(yuǎn)海上輸送LNG 耐超低溫柔性管道主要包括懸跨型LNG 耐超低溫柔性管道和漂浮型LNG 耐超低溫柔性管道兩種形式[4],其結(jié)構(gòu)形式分別如圖1 和圖2所示[5-6].

圖1 懸跨型LNG 耐低溫柔性管道[5]Fig.1 Suspended span LNG cryogenic flexible hose[5]

圖2 漂浮型LNG 耐低溫柔性管道[6]Fig.2 Floating LNG cryogenic flexible hose[6]

在懸跨型LNG 耐超低溫柔性管道結(jié)構(gòu)中,內(nèi)骨架鋼絲(內(nèi)彈簧)和外骨架鋼絲(外彈簧)是由金屬鋼絲螺旋纏繞而成,主要起到支撐管道、提供徑向剛度的作用,密封層起到密封液化天然氣、防止泄漏的作用,保溫層起到隔絕管道內(nèi)外熱量傳遞、防止管道外壁結(jié)冰的作用,編織層是整個(gè)管道的承載層,提供管道的軸向剛度.上述各層通過(guò)非粘接螺旋纏繞的形式集合而成管道結(jié)構(gòu),因此懸跨型耐超低溫柔性管道具有較小的彎曲半徑,其在低溫下仍能保持優(yōu)異的彎曲柔順性能.與此同時(shí),在拉伸工況下管道的軸向承載能力及耐腐蝕性能較差,因此其軸向工作載荷不宜過(guò)大,一般以懸跨的狀態(tài)應(yīng)用于實(shí)際工程中,如圖3 所示[4,7].

圖3 典型的懸跨型LNG 耐超低溫柔性管道應(yīng)用系統(tǒng)[4,7]Fig.3 Typical suspension span LNG cryogenic flexible hose system[4,7]

漂浮型LNG 耐超低溫柔性管道同樣采用多層螺旋纏繞的結(jié)構(gòu).其中,內(nèi)、外波紋管主要起到密封液化天然氣的作用,真空間隔區(qū)起到保溫的作用、防止管道外壁結(jié)冰;內(nèi)、外鎧裝層由纖維材料以帶狀的形式螺旋纏繞而成,是整個(gè)管道的承載層,增強(qiáng)管道的剛度和強(qiáng)度;內(nèi)、外防磨層起到防止因金屬結(jié)構(gòu)層之間的摩擦造成的疲勞失效;外護(hù)套起到保護(hù)整個(gè)管道、防止腐蝕的作用.漂浮型LNG 耐超低溫柔性管道具有較強(qiáng)的承載能力及抗腐蝕性能,因此在實(shí)際應(yīng)用中可直接漂浮于水面上(可承受波浪載荷),如圖4 所示[4,8].

圖4 典型的漂浮型LNG 耐超低溫柔性管道應(yīng)用系統(tǒng)[4,8]Fig.4 Typical floating LNG cryogenic flexible hose system[4,8]

綜上,上述LNG 耐低溫柔性管道結(jié)構(gòu)都屬于典型的多層復(fù)合結(jié)構(gòu),通常由兩層以上的金屬結(jié)構(gòu)及高分子結(jié)構(gòu)螺旋纏繞而制成.這種多層螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的構(gòu)件之間、層間均存在著大量的接觸、摩擦等非線性連接關(guān)系,使得低溫柔性管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析較為復(fù)雜繁瑣,有時(shí)甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)分析過(guò)程難以收斂.此外,LNG 耐超低溫柔性管道的輸送介質(zhì)是超低溫的液化天然氣,超低溫介質(zhì)與管道內(nèi)壁直接接觸,在低溫環(huán)境中管道的各層材料性能都會(huì)受到超低溫較為顯著的影響,這也為管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析帶來(lái)了巨大的溫度載荷挑戰(zhàn).目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)耐超低溫柔性管道的工程應(yīng)用[7,9-17]、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4,6-8,18-35]和內(nèi)流分析[36-56]等技術(shù)進(jìn)行了較為豐富的研究.

本文對(duì)LNG 耐低溫柔性管道的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)和分析.首先,針對(duì)LNG 耐低溫柔性管道的工程應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了綜述,根據(jù)不同的工程實(shí)際需求,綜述了不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的耐超低溫柔性管道所適用的工程環(huán)境;其次,開展了LNG 耐超低溫柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析理論的研究進(jìn)展綜述,并總結(jié)了不同的結(jié)構(gòu)分析方法;再次,對(duì)LNG 耐低溫柔性管道的管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)行為的研究進(jìn)行了綜述;最后,對(duì)LNG 耐低溫柔性管道未來(lái)的研究趨勢(shì)進(jìn)行了展望.

1 LNG 耐超低溫柔性管道應(yīng)用背景綜述

1.1 耐超低溫柔性管道在船對(duì)船作業(yè)中的應(yīng)用

漂浮型(floating LNG) 是集海上天然氣的液化、儲(chǔ)存和裝卸為一體的浮式液化天然氣儲(chǔ)卸船,具有開采周期短、開采靈活、可獨(dú)立開發(fā)、可回收、可運(yùn)移等優(yōu)點(diǎn)[7].FLNG 裝置典型的高技術(shù)船舶目前正處于前沿技術(shù)研究階段,很多關(guān)鍵技術(shù)的突破都面臨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)和流體力學(xué)等基礎(chǔ)理論和計(jì)算方法的挑戰(zhàn)[7].目前LNG 船對(duì)船的轉(zhuǎn)運(yùn)卸載方式主要有FLNG 的旁靠卸載以及串靠卸載兩種形式[9].

旁靠卸載是指浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置的一舷側(cè)與LNG 運(yùn)輸船的一舷側(cè)相靠,通過(guò)護(hù)舷和系泊線將兩船固定在一起,其工作原理如圖5 所示.旁靠卸載系統(tǒng)適用于較為平靜的海域,以及船型較為一致、干舷高度差別不大的船體.兩船體間距較小,轉(zhuǎn)運(yùn)卸載所需距離較短,且管道不直接與海水接觸,可有效降低海水對(duì)管道的腐蝕及結(jié)冰對(duì)管道的影響[9].在旁靠卸載系統(tǒng)中一般采用如圖3所示的懸跨型LNG 耐超低溫柔性管道[4].

圖5 FLNG 旁靠卸載系統(tǒng)的工作原理Fig.5 Schematic diagram of FLNG side-by-side transmission system

串靠卸載是近年來(lái)工程中最常使用的卸載方案[9-11].串靠卸載系統(tǒng)的兩船以長(zhǎng)距離首尾相連,其工作原理如圖6 所示.輸運(yùn)船遠(yuǎn)離浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置一側(cè),可顯著降低兩船相撞的風(fēng)險(xiǎn),并對(duì)惡劣海況具有更好的適用性(特別適用于我國(guó)南海油氣資源的開發(fā)).在串靠卸載系統(tǒng)中一般采用漂浮型LNG 耐超低溫柔性管道,如圖4 所示[4].漂浮型LNG 耐超低溫柔性管道可顯著減弱LNG 運(yùn)輸船對(duì)LNG 浮式終端的定位限制,使得運(yùn)輸船可遠(yuǎn)離終端,并能允許浮式終端的魚尾運(yùn)動(dòng).

圖6 FLNG 串靠卸載系統(tǒng)的工作原理Fig.6 Schematic diagram of FLNG system in series connection

1.2 耐超低溫柔性管道在船對(duì)岸作業(yè)中的應(yīng)用

區(qū)別于上節(jié)中深遠(yuǎn)海應(yīng)用時(shí)耐低溫柔性管道在LNG 船對(duì)船作業(yè)中的卸載應(yīng)用,對(duì)于近淺海域LNG 在船對(duì)岸作業(yè)中耐超低溫的柔性管道也起到非常關(guān)鍵的作用.傳統(tǒng)的固定式LNG 接收站需要碼頭裝卸和卸載的泊位,需要卸料臂、淺橋、墩臺(tái)、錨地等繁多配套設(shè)施,如圖7 所示[12].然而,這種碼頭一般接近人口密集區(qū)域,使得擴(kuò)建LNG 接收站的難度較大;此外,對(duì)于吃水較淺或易受極端天氣影響的港口,大型船只較難安全靠岸,而且極端天氣條件也可能會(huì)危及人員和設(shè)備安全[13].

圖7 傳統(tǒng)碼頭船對(duì)岸傳輸作業(yè)形式[12]Fig.7 Traditional ship-to-shore transmission operation form[12]

無(wú)碼頭浮式傳輸系統(tǒng)是一種浮式傳輸技術(shù),即無(wú)需碼頭也可實(shí)現(xiàn)LNG 運(yùn)輸船和陸地/浮式儲(chǔ)罐之間安全高效地傳輸液化天然氣[12].與傳統(tǒng)固定式碼頭的基礎(chǔ)設(shè)施相比,無(wú)碼頭浮式傳輸系統(tǒng)不僅可以顯著節(jié)省成本,而且方便環(huán)保,不影響海床或周圍的海洋環(huán)境.這種無(wú)碼頭浮式LNG 傳輸系統(tǒng)近年來(lái)得到了快速發(fā)展[14].Bluewater 公司開發(fā)的轉(zhuǎn)塔系泊式耐超低溫柔性管道傳輸系統(tǒng)(近岸傳輸系統(tǒng)、海上傳輸系統(tǒng))如圖8(a)和圖8(b)所示[13],該系統(tǒng)是將基于碼頭和棧橋的傳統(tǒng)方式發(fā)展為耐低溫的海底管道與空中懸掛耐超低溫柔性管道的單點(diǎn)系泊塔相結(jié)合的方式.

圖8 Bluewater 公司的無(wú)碼頭傳輸系統(tǒng)[13]Fig.8 Bluewater’s dockless transmission system[13]

此外,不同公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)基于無(wú)碼頭浮式傳輸系統(tǒng)的思路開發(fā)出了其他不同的無(wú)碼頭浮式傳輸系統(tǒng)[15],例如IQuay 系統(tǒng)(原UTS 系統(tǒng))[15]、JFT 系統(tǒng)[16]和KHOBRA 傳輸系統(tǒng)[17]等,如圖9 所示.值得一提的是,在無(wú)碼頭浮式傳輸系統(tǒng)中,漂浮型LNG 耐超低溫柔性管道的作用極為重要.在遠(yuǎn)離岸基進(jìn)行傳輸作業(yè)時(shí),漂浮型LNG 耐超低溫柔性管道的長(zhǎng)度可達(dá)幾百米,可適用于較為惡劣的海況條件,同時(shí)也對(duì)復(fù)合材料的管道結(jié)構(gòu)提出了嚴(yán)苛的失效分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn).

圖9 無(wú)碼頭耐超低溫柔性管道傳輸作業(yè)系統(tǒng)[15-17]Fig.9 Dockless low temperature transmission system[15-17]

2 LNG 耐超低溫柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析綜述

2.1 LNG 耐超低溫柔性管道結(jié)構(gòu)形式分類

如上文所述,若按結(jié)構(gòu)特征分類,則可分為以金屬波紋管為內(nèi)襯層的耐超低溫柔性管道和復(fù)合型耐超低溫柔性管道[15].一般地,漂浮型耐超低溫柔性管道大多以金屬波紋管作為內(nèi)襯層,懸跨型耐超低溫柔性管道大多為復(fù)合材料大角度螺旋纏繞而成.其中,Technip-FMC 和Nexans 的代表性產(chǎn)品是以金屬波紋管為內(nèi)襯層的LNG 耐超低溫柔性管道[7];而Gutteling B.V.,SBM Offshore,Dunlop,Trelleborg 則是以復(fù)合型LNG 耐超低溫柔性管道產(chǎn)品為代表的公司[7].

2.1.1 以金屬波紋管為內(nèi)襯層的LNG 耐超低溫柔性管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

法國(guó)Technip-FMC 開發(fā)出了以金屬波紋管為內(nèi)襯層的加強(qiáng)型LNG 耐超低溫柔性管道[7],包括懸跨型和漂浮型兩種管型,其結(jié)構(gòu)包括: ①不銹鋼波紋管、②鎧裝層、③保溫層和④外防護(hù)層.懸跨型耐低溫柔性管道的結(jié)構(gòu)如圖10(a)[7]所示,其內(nèi)襯層由單層316L 不銹鋼波紋管制成,該層可密封內(nèi)部低溫介質(zhì),承受管道的內(nèi)部壓力.鎧裝層由雙層聚酯纖維纏繞而成,外部包裹著尼龍編織帶,位于內(nèi)襯波紋管與保溫層之間,提供耐超低溫柔性管道的抗拉能力.保溫層采用聚乙烯泡沫帶材料,對(duì)內(nèi)部介質(zhì)起到保溫作用.位于最外層的外防護(hù)層有兩層,由自黏結(jié)膠帶纏繞而成,內(nèi)層起到水密作用,外層起到外部保護(hù)作用[7].漂浮型耐低溫柔性管道的結(jié)構(gòu)如圖10(b)[7]所示,各結(jié)構(gòu)層功能與懸跨型耐低溫柔性管道基本相同.其特點(diǎn)在于,內(nèi)襯層由多層316L 不銹鋼波紋管制成,鎧裝層由雙層螺旋纏繞的不銹鋼扁鋼絲和防磨帶組成,保溫層采用氣凝膠泡沫帶材料,外防護(hù)層由熱塑性材料纏繞而成[7].

圖10 Technip-FMC 公司的LNG 耐超低溫柔性管道結(jié)構(gòu)[7]Fig.10 LNG cryogenic flexible hose structure of Technip-FMC[7]

同樣來(lái)自法國(guó)的Nexans 公司自2000 年開始研制以金屬波紋管為內(nèi)襯層的LNG 耐超低溫柔性管道[18],主要應(yīng)用于串靠作業(yè)時(shí)的漂浮工況.其結(jié)構(gòu)主要包括金屬波紋管內(nèi)管、保溫層、金屬波紋管外管、螺旋鎧裝層和外防護(hù)層,如圖11 所示[19].金屬波紋管內(nèi)管由316L 螺旋波紋管制成,主要作用是密封LNG,并承受內(nèi)壓和部分軸向載荷.保溫層由反射箔、真空層以及墊片構(gòu)成,反射箔可減少輻射傳熱,真空層可減少對(duì)流傳熱.當(dāng)管道彎曲時(shí),結(jié)構(gòu)中的內(nèi)外金屬波紋管之間可能會(huì)相互接觸.墊片可起到增大接觸面積、減小壓力、防止內(nèi)外金屬波紋管之間相互接觸破壞的作用[18-19].金屬波紋管外管由316L 螺旋波紋管制成,主要承受自重產(chǎn)生的軸向拉力和真空產(chǎn)生的凈內(nèi)壓.鎧裝層由兩層扁鋼帶螺旋纏繞而成,增強(qiáng)耐超低溫柔性管道整體的抗拉能力.外防護(hù)層由熱塑性彈性材料聚乙烯纏繞而成,保護(hù)軟管不受外部環(huán)境及海水腐蝕影響[18].

圖11 Nexans 公司的LNG 耐超低溫柔性管道結(jié)構(gòu)[19]Fig.11 LNG cryogenic flexible hose structure of Nexans[19]

2.1.2 復(fù)合型LNG 耐超低溫柔性管道

荷蘭Gutteling B.V.公司是世界上第一家生產(chǎn)復(fù)合型LNG 耐超低溫柔性管道的公司[4],其復(fù)合型LNG 耐超低溫柔性管道結(jié)構(gòu)如圖12 所示[4].最內(nèi)層為內(nèi)螺旋形316L 金屬鋼絲,起到支撐管道整體結(jié)構(gòu)及提供徑向剛度的作用;第二層是由芳綸布組成的復(fù)合支撐層,起到保護(hù)內(nèi)襯套的作用;第三層是由超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯膜組成的內(nèi)襯套,其作用是密封液化天然氣;第四層是由滌綸布構(gòu)成的復(fù)合編織層,是整個(gè)管道的主要承載結(jié)構(gòu)層,為整個(gè)管道提供軸向抗拉剛度;最外層為外螺旋形316L 金屬鋼絲,主要用于支撐管道的整體結(jié)構(gòu),提供徑向剛度[4].

圖12 Gutteling B.V.公司復(fù)合LNG 耐超低溫柔性管道結(jié)構(gòu)[4]Fig.12 LNG cryogenic composite hose of Gutteling B.V.[4]

此外,同樣來(lái)自荷蘭的SBM Offshore 公司提出了“管中管”的設(shè)計(jì)概念,生產(chǎn)出了COOLTM復(fù)合型LNG 耐超低溫柔性管道[20],其結(jié)構(gòu)主要包括內(nèi)管、絕熱層、泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和外管,如圖13 所示[20].內(nèi)管由非粘結(jié)的多層薄膜層和纖維層組成,內(nèi)、外兩個(gè)相差半個(gè)螺距的螺旋金屬圈將其夾住,絕熱層由羊毛織物以一定角度纏繞而成,該層在內(nèi)、外管之間,降低了兩管間的熱量交換.基于光纖分布式溫度傳感技術(shù)的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以一定間隔距離測(cè)量溫度,用以監(jiān)測(cè)液化天然氣由內(nèi)部軟管泄漏到環(huán)形空間后導(dǎo)致的溫度驟降.外管為粘結(jié)橡膠軟管,由橡膠、鋼絲、簾布加強(qiáng)層硫化形成.此種“管中管”結(jié)構(gòu)形式的管道已成功應(yīng)用于海上石油運(yùn)輸[20].

圖13 SBM Offshore 公司復(fù)合軟管結(jié)構(gòu)[20]Fig.13 LNG cryogenic composite hose of SBM Offshore[20]

英國(guó)Dunlop 公司在海洋石油管線領(lǐng)域已有60 余年的發(fā)展歷史[18],其復(fù)合型LNG 耐超低溫柔性管道結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外依次是內(nèi)螺旋金屬絲、襯里織物、聚合膜、絕熱層、襯里織物、超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維編織物、襯里織物和外螺旋金屬絲,如圖14 所示[18].與傳統(tǒng)的復(fù)合型LNG 耐超低溫柔性管道結(jié)構(gòu)相比,Dunlop 公司的管道結(jié)構(gòu)中的超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維編織物增強(qiáng)了耐超低溫柔性管道的軸向抗拉能力和管道整體的抗壓能力[18].

圖14 Dunlop 公司復(fù)合軟管結(jié)構(gòu)[18]Fig.14 LNG cryogenic composite hose of Dunlop[18]

此外,瑞典Trelleborg 公司研發(fā)的Cryoline 復(fù)合耐超低溫柔性管道與COOLTM復(fù)合耐超低溫柔性管道結(jié)構(gòu)相似,都是基于“管中管”的設(shè)計(jì)概念,主要包括內(nèi)管、絕熱層、泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和外管,如圖15 所示[4].內(nèi)管在傳統(tǒng)復(fù)合柔性管道的基礎(chǔ)上加入了超高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乙烯套管以保證更好的密封性,尤為重要的是,其在低溫下仍具有較好的柔順性.絕熱層位于內(nèi)、外管的環(huán)形空間,由新型三維織物纏繞而成,防止外部軟管溫度過(guò)低.泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由環(huán)形空間內(nèi)能夠定位和監(jiān)測(cè)泄漏的光纖構(gòu)成.外管的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)石油輸送管路相似,為加強(qiáng)的粘結(jié)性軟管,由橡膠、鋼絲環(huán)、加強(qiáng)層構(gòu)成,該層具有良好的抗疲勞性能和強(qiáng)度性能[4].

圖15 Trelleborg 公司復(fù)合軟管結(jié)構(gòu)[4]Fig.15 LNG cryogenic composite hose of Trelleborg[4]

綜上所述,不論是以金屬波紋管為內(nèi)襯層的LNG 耐超低溫柔性管道,還是復(fù)合型耐超低溫柔性管道,均為典型的多層、多材料、非粘接的柔性管狀結(jié)構(gòu).根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)特征,可將其總結(jié)為兩種典型的柔性結(jié)構(gòu)形式,即波紋管狀結(jié)構(gòu)和螺旋纏繞結(jié)構(gòu),如圖16 所示.

圖16 典型柔性結(jié)構(gòu)示意圖Fig.16 Schematic diagram of typical flexible structure

波紋管狀結(jié)構(gòu)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的柔性力學(xué)特性,是由于在其單位軸向空間內(nèi)增加了結(jié)構(gòu)的延伸長(zhǎng)度.當(dāng)承受同樣載荷,特別是橫向載荷時(shí),根據(jù)曲梁理論,輪廓曲線越長(zhǎng)構(gòu)件,其剛度越小.因此,波紋管狀結(jié)構(gòu)相比直圓筒結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生更大的位移,從而具有較好的柔順性.

而對(duì)于螺旋纏繞結(jié)構(gòu),其同樣在單位軸向空間內(nèi)增加了結(jié)構(gòu)的延伸長(zhǎng)度,區(qū)別于波紋管壁長(zhǎng)度在平面內(nèi)的延伸,螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的輪廓曲線為空間延伸.同理,根據(jù)曲梁理論,構(gòu)件長(zhǎng)度越長(zhǎng),在承受同樣的載荷時(shí),螺旋結(jié)構(gòu)相比直構(gòu)件將產(chǎn)生更大的位移,進(jìn)而使得橫向剛度相對(duì)較小,具有較好的柔順性.此外,密布于層內(nèi)的多根螺旋纏繞結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)非粘接狀態(tài),在承受外載荷時(shí),為典型的疊梁結(jié)構(gòu).由疊梁理論可知,對(duì)于外部形狀相同的幾何結(jié)構(gòu),非粘接疊梁結(jié)構(gòu)相比粘接性結(jié)構(gòu)具有較小的橫向剛度.這是由于在承受載荷變形的過(guò)程中,疊梁形狀的多根螺旋纏繞結(jié)構(gòu)繞各自截面軸發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)和拉伸等變形,而粘接在一起的圓筒結(jié)構(gòu)將以整體結(jié)構(gòu)的截面軸發(fā)生相應(yīng)的基本力學(xué)行為,因此多根螺旋纏繞結(jié)構(gòu)具有較好的柔順性.

從材料的力學(xué)性能角度分析,現(xiàn)有的LNG 耐超低溫柔性管道結(jié)構(gòu)正逐漸趨向于提高高分子材料的采用比例.相比于金屬波紋管為內(nèi)襯層的LNG 耐超低溫柔性管道,復(fù)合型耐超低溫柔性管道的高分子材料的占比高達(dá)80%左右.高分子材料除了具有良好的抗低溫、防腐蝕和高耐磨性能外,其力學(xué)性能相比于金屬耐低溫材料也具有更好的抗疲勞性能.這是由于在相同的幾何結(jié)構(gòu)下,高分子材料的彈性模量往往比金屬材料小,根據(jù)基本彈性力學(xué)理論,由此材料制造而成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有較小的剛度,即良好的柔順性.

總之,為了適用于復(fù)雜的海洋環(huán)境工況和超低溫環(huán)境帶來(lái)的脆性影響,LNG 耐超低溫柔性管道結(jié)構(gòu)需要具備一定的柔順性.而實(shí)現(xiàn)管狀類結(jié)構(gòu)的柔順性,目前最常用的途徑包括改變結(jié)構(gòu)形式和替換材料的方法.本文基于基本曲梁理論和彈性力學(xué)理論,總結(jié)了實(shí)現(xiàn)LNG 耐超低溫柔性管道結(jié)構(gòu)柔順性的基本力學(xué)模型,包括波紋管狀結(jié)構(gòu)和螺旋纏繞結(jié)構(gòu),以及高分子材料層在實(shí)現(xiàn)LNG 耐超低溫柔性管道結(jié)構(gòu)柔順性的重要作用.總結(jié)其結(jié)構(gòu)柔順性特征實(shí)現(xiàn)原理圖如圖17 所示.

圖17 實(shí)現(xiàn)柔順性結(jié)構(gòu)特性的原理圖Fig.17 Schematic diagram of achieving flexible structure

2.2 LNG 耐超低溫柔性管道結(jié)構(gòu)分析理論綜述

在LNG 耐超低溫柔性管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析理論方面,目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)LNG 耐超低溫柔性管道的內(nèi)襯波紋管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為廣泛的研究;而關(guān)于LNG 耐超低溫柔性管道整管和復(fù)合型LNG耐超低溫柔性管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析則相對(duì)較少.因此本文主要針對(duì)LNG 耐超低溫柔性管道的內(nèi)襯波紋管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析進(jìn)行綜述.

Bardi 等[6]研究的金屬波紋管型耐超低溫柔性管道具體結(jié)構(gòu)形式如圖2 所示,其內(nèi)襯金屬波紋管的截面結(jié)構(gòu)如圖18 所示,λ 為波長(zhǎng),h為波高,2l和θ分別為直線長(zhǎng)度和傾斜角.基于數(shù)值模擬的方法建立了上述結(jié)構(gòu)形式的金屬波紋管有限元模型,并著重研究了在拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)和內(nèi)壓等五種不同加載工況下的剛度、強(qiáng)度等力學(xué)性能及其對(duì)應(yīng)的極限失效狀態(tài).

圖18 內(nèi)襯金屬波紋管的截面示意圖[6]Fig.18 Schematic diagram of the cross-section of the lined metal bellow[6]

Stephen 等[22]針對(duì)帶有螺旋編織鎧裝層的加強(qiáng)型金屬波紋軟管結(jié)構(gòu),開展了其在循環(huán)內(nèi)壓下的失效分析.通過(guò)數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的研究,分別如圖19和圖20 所示,得到了內(nèi)襯金屬波紋管和螺旋編織鎧裝層之間的摩擦系數(shù),并分析了螺旋編織鎧裝層的編織間隙對(duì)金屬波紋管在循環(huán)壓力下的失效影響規(guī)律,研究了結(jié)構(gòu)整個(gè)失效過(guò)程中的變形行為以及最終的失效模式.循環(huán)內(nèi)壓載荷是耐超低溫柔性管道在實(shí)際應(yīng)用中較為主要的載荷之一,因此,在LNG耐超低溫柔性管道的結(jié)構(gòu)分析時(shí),除了研究耐超低溫柔性管道的最大工作內(nèi)壓外,還需考慮循環(huán)內(nèi)壓載荷對(duì)管道的影響,避免出現(xiàn)上述失效破壞.

圖19 內(nèi)壓載荷下金屬波紋管層間無(wú)摩擦系數(shù)的應(yīng)變[22]Fig.19 Strain with no friction coefficient between lower layers under internal pressure load[22]

圖20 多層金屬波紋軟管在循環(huán)內(nèi)壓作用下爆破失效[22]Fig.20 Burst failure of the structure of the bellows[22]

在低溫環(huán)境對(duì)管道結(jié)構(gòu)性能的影響方面,Srivastava 等[23]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)冷成形和低溫環(huán)境對(duì)C 型金屬波紋管應(yīng)變硬化具有顯著影響,典型的C 型金屬波紋管截面結(jié)構(gòu)如圖21 所示,q為波距,h為波高,d為壁厚.其對(duì)C 型金屬波紋管材料本構(gòu)模型進(jìn)行了修正,修正結(jié)果如圖22 所示[23],圖中1 ksi=6.895 MPa.將上述材料修正模型引入到有限元模型中,在此基礎(chǔ)上對(duì)C 型金屬波紋管進(jìn)行軸向拉伸、彎曲和內(nèi)壓等力學(xué)行為的有限元分析,以分析揭示C 型金屬波紋管的載荷-變形行為特征和局部應(yīng)力響應(yīng)[23].結(jié)果表明,波紋成形引起的應(yīng)變硬化和管道變形過(guò)程中的雙軸局部應(yīng)力對(duì)C 型金屬波紋管的疲勞響應(yīng)有著較為重要的影響[23].顧明皓等[24]研究了金屬波紋管在低溫環(huán)境下的拉伸性能,建立了低溫環(huán)境下金屬波紋管的材料本構(gòu)模型,在此基礎(chǔ)上基于理論推導(dǎo)計(jì)算了考慮低溫環(huán)境影響的金屬波紋管拉伸剛度.通過(guò)與常溫環(huán)境下管道拉伸性能的對(duì)比,分析給出了低溫環(huán)境對(duì)金屬波紋管拉伸剛度的影響規(guī)律,如圖23 所示;并進(jìn)一步通過(guò)低溫實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其理論研究的準(zhǔn)確性,其低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖24 所示.

圖21 典型的C 型金屬波紋管截面結(jié)構(gòu)[23]Fig.21 Typical cross-section of C-shaped metal bellow[23]

圖22 考慮冷成形和溫度影響的波紋管材料本構(gòu)模型[23]Fig.22 Material constitutive model considering the influence of cold forming and temperature[23]

圖23 常溫與低溫環(huán)境下拉伸性能的對(duì)比[24]Fig.23 Comparison of tensile properties at room temperature and low temperature[24]

圖24 低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖[24]Fig.24 Schematic diagram of low temperature environment experiment system forming and temperature[24]

在低溫金屬波紋管結(jié)構(gòu)的非線性分析方面,楊義俊等[25]基于非線性有限元法,綜合考慮了波紋管結(jié)構(gòu)的材料非線性、幾何非線性、邊界非線性等因素,建立了一種基于接觸元的多層波紋管非線性有限元模型,建立接觸對(duì)模型,解決了多層波紋管非線性的計(jì)算難題.Satoshi 等[26]提出了“雙卷積波紋管”的新型波紋管結(jié)構(gòu),并研究了此新型波紋管和正常波紋管在反復(fù)軸向載荷、內(nèi)壓和扭轉(zhuǎn)載荷下的變形特性.楊志勛等[27]通對(duì) LNG 低溫螺旋金屬波紋管進(jìn)行參數(shù)化有限元建模,考慮低溫對(duì)材料的影響和結(jié)構(gòu)幾何非線性因素,對(duì)低溫螺旋金屬波紋管的彎曲性能進(jìn)行有限元模擬.分析得到了管體在彎曲載荷下的失效形式和力學(xué)行為,如圖25 所示[27].并通過(guò)改變低溫螺旋金屬波紋管的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下波峰和波谷處的最大應(yīng)力,進(jìn)而總結(jié)出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)金屬波紋管各項(xiàng)力學(xué)性能的影響規(guī)律[27].上述分析結(jié)果可為L(zhǎng)NG 耐超低溫柔性管道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要參考.

圖25 彎曲載荷下低溫螺旋金屬波紋管應(yīng)力分布[27]Fig.25 Stress distribution of cryogenic spiral metal bellow under bending load[27]

Yang 等[28]基于上述工作考慮了材料超低溫力學(xué)性能和幾何大變形等非線性因素,探究了低溫金屬螺旋波紋管的軸向拉伸、彎曲和內(nèi)壓等力學(xué)行為,以及幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度分析,其拉伸剛度隨幾何參數(shù)的靈敏度變化趨勢(shì)如圖26 所示[28].結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用,提出了以彎曲剛度和內(nèi)壓應(yīng)力最小為目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化方案,采用全因子試驗(yàn)方法和徑向基函數(shù)(radial basis function)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建代理模型,通過(guò)NSGA-II 遺傳算法得到各參數(shù)的Pareto最優(yōu)解集和取值范圍[28],為L(zhǎng)NG 耐超低溫柔性管道內(nèi)襯波紋管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種可行的優(yōu)化方法.

圖26 單個(gè)波紋結(jié)構(gòu)拉伸剛度變化趨勢(shì)圖[28]Fig.26 Trend chart of tensile stiffness of single structure[28]

除上述截面形狀波紋管外,U 型波紋管通常也可作為耐超低溫柔性管道內(nèi)襯層結(jié)構(gòu),其截面幾何形狀如圖27 所示,該類型金屬波紋管具有較好的結(jié)構(gòu)柔順性.楊亮等[29]建立了U 型波紋管的參數(shù)化模型,研究了U 型金屬波紋管結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)整體力學(xué)性能響應(yīng).通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的U 型波紋管施加拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等載荷工況,分析總結(jié)得到管道結(jié)構(gòu)參數(shù)波高H、波距P和壁厚t對(duì)拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度的敏感性規(guī)律,其中彎曲載荷下的U 型波紋管整管和波峰波谷處應(yīng)力分布如圖28 所示,圖29 為不同波高的波紋管的彎矩-彎曲轉(zhuǎn)角曲線[29].此外,研究還發(fā)現(xiàn)波紋管在拉伸、彎曲載荷下的最大應(yīng)力位置在其波峰和波谷處.以上研究成果對(duì) U 型金屬波紋管及LNG 耐超低溫柔性管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供了有益的理論指導(dǎo).Radhakrishna 等[30]針對(duì)U 型金屬波紋管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了軸向振動(dòng)方面的研究,通過(guò)理論推導(dǎo)的方法分析了彈性約束端對(duì)軸向固有頻率的影響,并給出了理論表達(dá)式,顯著提高了U 型金屬波紋管結(jié)構(gòu)在軸向振動(dòng)下理論模型的計(jì)算精度.譚卓君等[31]基于拉格朗日乘子法和混合罰函數(shù)法對(duì)多層U 型波紋管的接觸行為特征與臨界載荷進(jìn)行了研究分析,并簡(jiǎn)化了其有限元分析模型.

圖27 U 型波紋管截面幾何形狀[29]Fig.27 U-shaped bellow cross-section geometry[29]

圖28 彎曲載荷下U 型波紋管應(yīng)力分布[29]Fig.28 Stress distribution of U-shaped bellow under bending load[29]

圖29 不同波高波紋管的彎矩-彎曲轉(zhuǎn)角曲線[29]Fig.29 Bending moment-angle curve of bellows with different wave heights[29]

Hao 等[32]研究了波形結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)金屬波紋管失效機(jī)理的影響,如圖30 所示.通過(guò)對(duì)U 型波紋管的反復(fù)彎曲過(guò)程進(jìn)行的數(shù)值模擬,如圖31 所示,提出了一種新型波形結(jié)構(gòu)的波紋管,得出了設(shè)計(jì)不等參數(shù)的波形結(jié)構(gòu)可以提高金屬波紋管的疲勞壽命和抗彎曲斷裂性能的結(jié)論.

圖30 波紋管彎曲失效的微觀機(jī)理圖[32]Fig.30 Microcosmic mechanism diagram of bellow bending failure[32]

圖31 波紋管反復(fù)彎曲的數(shù)值模擬過(guò)程[32]Fig.31 Numerical simulation of repeated bending of bellow[32]

Belyaev 等[33]基于理論和數(shù)值結(jié)合的研究方法探究了U 型金屬波紋管在內(nèi)壓載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)等,其理論模型和數(shù)值計(jì)算如圖32 和圖33所示.Pagar 等[34]通過(guò)內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)對(duì)U 型波紋管進(jìn)行了內(nèi)壓載荷下表面最大應(yīng)力位置的研究,并基于數(shù)值模擬和解析法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)采用了10 個(gè)波紋結(jié)構(gòu)的U 型波紋管,具體應(yīng)力測(cè)點(diǎn)如圖34所示,實(shí)驗(yàn)布置如圖35 所示[34].上述研究發(fā)現(xiàn),沿同一縱向線,U 型波紋管的軸向薄膜應(yīng)力對(duì)周向應(yīng)力具有高度的控制作用,且在波紋結(jié)構(gòu)頂面發(fā)現(xiàn)較高的應(yīng)力[34].上述U 型金屬波紋管最大應(yīng)力的評(píng)估方法對(duì)建立波紋管的疲勞分析模型和預(yù)測(cè)波紋管的循環(huán)壽命具有一定的參考價(jià)值.

圖32 金屬波紋管的理論模型圖[33]Fig.32 Diagram of theoretical model of metal bellow[33]

圖33 金屬波紋管的數(shù)值模擬結(jié)果[33]Fig.33 Numerical simulation results of metal bellows[33]

圖34 應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)位置示意圖[34]Fig.34 Schematic diagram of the location of the stress measurement point[34]

圖35 開展內(nèi)壓載荷下最大應(yīng)力位置研究的實(shí)驗(yàn)裝置[34]Fig.35 Experimental device for studying the position of maximum stress under internal pressure[34]

通過(guò)對(duì)LNG 耐超低溫柔性管道結(jié)構(gòu)分析理論綜述可以發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的分析方法不論是理論、數(shù)值和實(shí)驗(yàn),都集中于內(nèi)部關(guān)鍵構(gòu)件波紋管的力學(xué)行為特征.波紋管的軸向截面形式多種多樣,常見的有C 型、U 型和Ω 型,而應(yīng)用于LNG 耐超低溫柔性管道中的常見波紋管截面為C 型和U 型.究其原因在于Ω 型截面型波紋管在低溫環(huán)境下,其外表面可以結(jié)冰,處于夾縫中的冰水混合物在波紋管變形過(guò)程中存在明顯的破壞作用.

對(duì)于波紋管結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的分析,現(xiàn)有的理論分析方法多見于錢偉長(zhǎng)先生及團(tuán)隊(duì)[35]開發(fā)基于攝動(dòng)求解的分析理論.然而由于其公式復(fù)雜,求解困難,且適用的范圍較小,因此在實(shí)際工程中對(duì)于波紋管結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究更多依賴于數(shù)值模擬方法,特別是考慮低溫環(huán)境下材料力學(xué)性能非線性問(wèn)題和結(jié)構(gòu)大變形非線性問(wèn)題,數(shù)值模擬方法可以一定程度上給出合理和精確的解.但對(duì)于更復(fù)雜的力學(xué)行為,如波紋管結(jié)構(gòu)的屈曲和疲勞失效問(wèn)題,由于其對(duì)結(jié)構(gòu)的缺陷有強(qiáng)烈的敏感性,因此準(zhǔn)確分析其結(jié)構(gòu)響應(yīng)需要借助實(shí)驗(yàn)方法.

雖然現(xiàn)有文獻(xiàn)針對(duì)低溫環(huán)境下波紋管結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行了相對(duì)充分的研究,但LNG 耐超低溫柔性管道是典型的多層、多材料的復(fù)合結(jié)構(gòu),其整體力學(xué)性能響應(yīng)同樣受到其他構(gòu)件的影響,特別是螺旋鎧裝層,因此,低溫環(huán)境下內(nèi)部各構(gòu)件之間的變形協(xié)調(diào)問(wèn)題是影響結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能的關(guān)鍵因素.此外,針對(duì)LNG 耐超低溫柔性管道結(jié)構(gòu)的力學(xué)失效行為,目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究仍相對(duì)較少,其在超低溫環(huán)境下承受典型力學(xué)載荷時(shí)的失效模式尚不清晰,仍為期待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題.

3 LNG 耐超低溫柔性管道內(nèi)流分析綜述

如上文所述,耐超低溫柔性管道的內(nèi)襯波紋管需承受軸向拉伸載荷和內(nèi)部液體的壓力,并且具有良好的抗疲勞和隔熱性能[36].但區(qū)別于普通的光滑直管道,波紋管道的波紋結(jié)構(gòu)可能會(huì)引起復(fù)雜的湍流現(xiàn)象,需要克服湍流引起的壓降等困難[36],這使得管內(nèi)流動(dòng)性能的研究成為耐超低溫柔性管道的研究體系中不可或缺的一部分.國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)LNG 耐超低溫柔性管道管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)特性、波紋管的傳熱性能以及波紋管管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)與管體的流固耦合等問(wèn)題進(jìn)行了一系列的研究.

在LNG 耐超低溫柔性管道內(nèi)襯波紋管管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)特性的研究中,Russ 等[37-38]采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了沿波紋管軸向管內(nèi)流對(duì)流輸運(yùn)的變化規(guī)律.在層流情況下,管壁波峰位置對(duì)流輸運(yùn)較少,此時(shí)流線顯示為分離的封閉氣泡,如圖36所示.而當(dāng)管內(nèi)流發(fā)展成湍流后,一個(gè)波段上的對(duì)流輸運(yùn)幾乎與直管相同,如圖37 所示.Unal 等[39]通過(guò)RANS 和LES 數(shù)值模擬方法對(duì)波紋壁的管內(nèi)湍流進(jìn)行了研究,并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與PIV 測(cè)量結(jié)果比較,發(fā)現(xiàn)非定常RANS 模型可以預(yù)測(cè)漩渦連貫周期性運(yùn)動(dòng)過(guò)程,漩渦的大小與波紋長(zhǎng)度幾乎相同,如圖38所示.Mahmud 等[40]研究了正弦型波紋管管內(nèi)流場(chǎng)、壓降和傳熱性能等.研究結(jié)果表明波紋的波高越高,壁面流動(dòng)分離越早,壓降越大,流動(dòng)阻力越大,傳熱速率越大,并提出了一種計(jì)算摩擦系數(shù)與波紋幾何參數(shù)、雷諾數(shù)之間關(guān)系的方法,如圖39 所示.

圖36 層流情況下管壁波峰位置的封閉氣泡[37]Fig.36 Streamline showing closed bubble in the bulge part under laminar flow condition[37]

圖37 湍流情況下波峰位置的流線分布[38]Fig.37 Streamline showing reduced bubble size in the bulge part under turbulent flow condition[38]

圖38 非定常RANS 模型模擬波紋管壁附近漩渦的周期性運(yùn)動(dòng)[39]Fig.38 Life cycle of the vortex motion in corrugation predicted by the unsteady RANS model[39]

圖39 兩種波紋高度下,壁面流動(dòng)分離與重新附著位置[40](空心為高波高,實(shí)心為低波高)Fig.39 Variation of location of separation and reattachment point for high and low corrugation height[40]

波紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)管道傳熱性能具有較為明顯的影響[41-44].Jaiman 等[41]采用數(shù)值模擬的方法研究了非穩(wěn)態(tài)流體作用下管內(nèi)流體的流阻系數(shù)、摩擦系數(shù)與波紋結(jié)構(gòu)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)波紋的長(zhǎng)度和高度等對(duì)管內(nèi)流特性有顯著影響,如圖40 所示.孫鳳玉等[42]對(duì)比分析了氮?dú)庠诓y管內(nèi)的流動(dòng)特性,并實(shí)驗(yàn)測(cè)量了其在不同管徑的波紋管管內(nèi)的流動(dòng)壓降.發(fā)現(xiàn)壓降隨雷諾數(shù)的增大而增大,并且在同一雷諾數(shù)下,內(nèi)徑越小壓降越大,如圖41 所示.曾敏等[43]針對(duì)不同管徑和波距的波紋管管內(nèi)空氣流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分析了不同管徑下的平均對(duì)流換熱系數(shù)和阻力系數(shù),并且與光滑直管的換熱效果進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷諾數(shù)小于600 時(shí),波紋管的換熱能力不及光滑直管,但隨著雷諾數(shù)增加,其換熱能力得到提升并優(yōu)于光滑管,如圖42 所示.陳克平等[44]采用有限體積法對(duì)比了波紋管和光滑直管的傳熱性能,發(fā)現(xiàn)波紋管的尺寸參數(shù)對(duì)強(qiáng)化傳熱有顯著影響,并且波紋管在波峰、波谷處會(huì)產(chǎn)生二次渦流破壞邊界層,如圖43 所示.

圖40 波紋管摩擦系數(shù)與波高的關(guān)系[41]Fig.40 The relationship between friction coefficients and the depth of corrugation[41]

圖41 氮?dú)鈮航惦S雷諾數(shù)的變化[42]Fig.41 Pressure drop versus Reynolds number for nitrogen gas[42]

圖42 Nusselt 數(shù)隨雷諾數(shù)的變化(實(shí)線為光滑管)[43]Fig.42 The relationship between Nusselt number and Reynolds number(solid line represents smooth pipe)[43]

圖43 波紋管在波峰波谷處產(chǎn)生二次渦流擾動(dòng)邊界層[44]Fig.43 Boundary layer perturbation by the vortex generated at corrugation crest and trough[44]

文獻(xiàn)[45-47]研究了在內(nèi)壓工況下影響波紋管管內(nèi)流體特性的因素.許衛(wèi)國(guó)等[45]基于數(shù)值模擬的方法對(duì)不同壓力下單向流在螺旋波紋管內(nèi)流動(dòng)與對(duì)流傳熱進(jìn)行了研究,分析了入口速度、溫度對(duì)管內(nèi)溫度、流速分布、管壁溫度和壁面換熱系數(shù)的影響.結(jié)果表明與光滑直管相比,波紋管換熱增強(qiáng)了1.5～ 2.7 倍(沿徑向的溫度分布對(duì)比如圖44 所示),摩擦壓降增大了1.3～ 4.5 倍.楊志勛等[46]建立了波紋管的三維數(shù)值計(jì)算模型,對(duì)比分析了管道的波型(圖45 所示)、波高、波距等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于管內(nèi)流動(dòng)壓降和流阻系數(shù)的影響規(guī)律.結(jié)果表明U 型波紋管的壓降和流阻系數(shù)大于三角形和半圓形波紋管,壓降與流阻系數(shù)隨波高的增大而變大,隨波距的增大而變小.王海燕等[47]分析了LNG 在低溫波紋管內(nèi)的流動(dòng)特性,發(fā)現(xiàn)入口的波紋會(huì)引起壁面剪切力的變化,擾動(dòng)流體,如圖46 所示.并且在入口和出口均有較大的壓力變化,同時(shí)高雷諾數(shù)情況下短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生氣泡及空蝕現(xiàn)象,但在管內(nèi)流動(dòng)趨于穩(wěn)定后這些現(xiàn)象會(huì)消失.

圖44 (a)螺旋波紋管與(b)光滑圓管溫度沿徑向的分布[45]Fig.44 Radial temperature distribution of (a) the bellow and (b) the smooth pipe[45]

圖45 比較的幾種不同波形的波紋管Fig.45 Different types of bellows

圖46 沿流動(dòng)方向的壁面剪切應(yīng)力曲線[47]Fig.46 Wall shear stress variation along the flow direction[47]

此外,許多學(xué)者針對(duì)管道中的不穩(wěn)定流動(dòng)與由此產(chǎn)生的管道振動(dòng)之間的運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了研究[48-52],包括與內(nèi)部流體流動(dòng)相關(guān)的慣性載荷、整體剛體運(yùn)動(dòng)以及管道變形產(chǎn)生的慣性耦合作用等;Tijsseling[49]對(duì)此做了綜述性的介紹.Tang 等[52]針對(duì)管道的運(yùn)動(dòng)非線性、管道和內(nèi)部流體的慣性耦合作用提出了幾何描述更加精確的非線性理論,并將其應(yīng)用于不同類型的管道,其有效性得到了驗(yàn)證,如圖47 所示.傳輸液體的懸臂管端部的位移在不同速度情形下,位移時(shí)程呈現(xiàn)出的特點(diǎn)不同,在流速較大時(shí)呈現(xiàn)出非線性的大幅運(yùn)動(dòng)特性,如圖48 所示.李明等[53]對(duì)單相流流固耦合問(wèn)題和氣液兩相流管道流固耦合問(wèn)題進(jìn)行了綜述分析.Pontaza 等[54]研究了水下跨接管和直角彎管,發(fā)現(xiàn)管接頭處關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)由管內(nèi)多相流動(dòng)引起.謝芳芳等[55]針對(duì)輸油管道內(nèi)兩相流流固耦合問(wèn)題,研究了豎直管道內(nèi)段塞流動(dòng)的形成機(jī)理,并分析了兩相流作用下的流場(chǎng)壓力分布和管道動(dòng)態(tài)響應(yīng).豎直管道內(nèi)段塞流形成過(guò)程如圖49 所示,豎直管道內(nèi)兩相流致振動(dòng)響應(yīng)如圖50 所示.

圖47 輸送液體的懸臂管[52]Fig.47 Cantilever pipe for liquid transportation[52]

圖48 不同流速下端部位移時(shí)程[52]Fig.48 Tip displacement under different flow velocity[52]

圖49 豎直管道內(nèi)段塞流的形成過(guò)程[55]Fig.49 Slug flow formation in vertical pipe[55]

圖50 豎直管道內(nèi)兩相流致振動(dòng)響應(yīng)的情況[55]Fig.50 Time history of the flow-induced vibration[55]

Riverin 等[56]研究了U 型波紋管在內(nèi)部?jī)上嗔髯饔孟碌拿}動(dòng)力特性,發(fā)現(xiàn)隨著流速的增大,U 型波紋管的高模態(tài)將被激發(fā),如圖51 所示.隨著兩相流氣體與液體含量比值的增大,其載荷的周期性更為顯著.當(dāng)氣液含量比值達(dá)到95%時(shí),其載荷會(huì)以隨機(jī)的尖銳脈沖形式呈現(xiàn).

圖51 U 型波紋管流速與響應(yīng)頻譜的關(guān)系[56]Fig.51 The relationship between velocity and response spectrum of U-shaped bellows[56]

由以上管內(nèi)流的研究可以發(fā)現(xiàn),目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)波紋管波型、波高、波距等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于管內(nèi)流動(dòng)壓降和流阻系數(shù)的影響規(guī)律,以及波紋管具有的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)管道熱傳遞速率的影響等方面進(jìn)行了大量的研究.上述研究有助于揭示波紋型低溫管道壓降、流速變化等現(xiàn)象,也為研究耐超低溫柔性管道接頭中內(nèi)流引起的作用力變化規(guī)律奠定了基礎(chǔ).

考慮到LNG 的物理特征,LNG 耐超低溫柔性管道內(nèi)部氣液兩相流的現(xiàn)象尤為突出.由于LNG 的沸點(diǎn)低至-163℃,因此在傳輸過(guò)程中LNG 極易汽化,管道內(nèi)部極易存在氣液兩相流的現(xiàn)象.在實(shí)際工程應(yīng)用中,由于受到外部環(huán)境載荷的影響,耐超低溫柔性管道會(huì)呈現(xiàn)出多種結(jié)構(gòu)形態(tài),如U 型、S 型等.因此,研究氣液兩相流與管道結(jié)構(gòu)的耦合作用是進(jìn)行耐超低溫柔性管道多項(xiàng)態(tài)耦合研究的重要步驟,需特別注意的是,由內(nèi)流引起管道結(jié)構(gòu)周期性振動(dòng)對(duì)LNG 耐超低溫柔性管道疲勞壽命的影響也是研究重點(diǎn)之一.此外,LNG 耐超低溫柔性管道在位工作時(shí),不僅存在內(nèi)流作用,同時(shí)還存在外部流體的作用,然而針對(duì)內(nèi)、外流共同作用下管道結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的分析相對(duì)較少,需進(jìn)一步系統(tǒng)的分析研究.

綜上所述,LNG 耐超低溫柔性管道的研究涉及傳熱相變、氣液兩相內(nèi)流、外部流體作用、管道自振、管道共振等多方面復(fù)雜因素的影響,因此需基于更多相關(guān)的研究基礎(chǔ),對(duì)LNG 耐超低溫柔性管道管內(nèi)流進(jìn)行系統(tǒng)、完整的研究,為L(zhǎng)NG 耐超低溫柔性管道的設(shè)計(jì)與分析提供有力支撐.

4 結(jié)語(yǔ)與展望

隨著LNG 的開發(fā)逐漸由近海走向深遠(yuǎn)海,耐超低溫柔性管道應(yīng)用迎來(lái)更加廣闊的發(fā)展前景,同時(shí)也面臨更加嚴(yán)苛的結(jié)構(gòu)失效的挑戰(zhàn).本文針對(duì)耐超低溫柔性管道的應(yīng)用背景、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、內(nèi)流分析等方面進(jìn)行了綜述與展望.雖然耐超低溫柔性管道在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)具有一定的相關(guān)研究基礎(chǔ),但是由于耐超低溫柔性管道的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,以下方面的研究工作尚待開展.

(1)基于理論分析方法,針對(duì)漂浮型LNG 耐超低溫柔性管道的多材料、多層螺旋纏繞的結(jié)構(gòu)非線性特點(diǎn)以及懸跨型LNG 耐超低溫柔性管道的大角度螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的幾何非線性特點(diǎn),分別建立兩種不同的理論模型體系,深入研究多層材料之間的接觸摩擦力學(xué)行為,考慮大角度螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的徑向變形協(xié)調(diào)與管體幾何大變形,推導(dǎo)不同載荷工況及多工況耦合作用下的管道結(jié)構(gòu)響應(yīng)的理論計(jì)算方法.

(2)基于有限元分析方法,考慮LNG 耐超低溫柔性管道在實(shí)際應(yīng)用中的超低溫環(huán)境與內(nèi)流作用,開展大規(guī)模熱、流、固耦合的數(shù)值計(jì)算.并基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與實(shí)際應(yīng)用需求,開展耐超低溫柔性管道結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì),形成熱、流、固多物理場(chǎng)耦合分析方法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).

(3)LNG 耐超低溫柔性管道的輸送介質(zhì)是超低溫的液化天然氣(-161℃),超低溫介質(zhì)與管道內(nèi)壁直接接觸.無(wú)論是漂浮型耐超低溫柔性管道還是懸跨型耐超低溫柔性管道,其密封層的薄壁金屬材料或復(fù)合薄膜材料受超低溫環(huán)境影響,極為可能發(fā)生失效破壞進(jìn)而導(dǎo)致液化天然氣的泄漏.因此需進(jìn)行耐超低溫柔性管道密封層材料在超低溫環(huán)境下的熱力學(xué)性能實(shí)驗(yàn),突破超低溫復(fù)合材料的合成技術(shù),形成超低溫環(huán)境下安全可靠的薄壁金屬材料或復(fù)合薄膜材料.

我國(guó)在耐超低溫柔性管道技術(shù)的研究工作起步相對(duì)較晚,盡早突破耐超低溫柔性管道關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)耐超低溫柔性管道的國(guó)產(chǎn)化研制,對(duì)于打破國(guó)外對(duì)我國(guó)深遠(yuǎn)海天然氣資源開發(fā)的“卡脖子”技術(shù),按時(shí)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要意義.