张寅秋

摘 要：LNG超低温管道是LNG接收站内工艺介质流动和传输的主要方式，其应力分析对保障管道和设备安全稳定运行起着至关重要的作用。该文围绕材料的选择、载荷工况的设置及边界条件的定义等方面，介绍采用CAESAR II应力分析软件对LNG超低温管道进行应力分析的特点和方法。

关键词：LNG管道;CAESAR II;应力分析

中图分类号：U664                文献标志码：A

LNG管道的設计温度为-196 ℃，属于超低温管道，在设计时须采用计算机软件（象CAESAR II软件）进行管道应力分析。与常规管道相比，LNG管道应力分析的不同之处主要在于：

1）LNG管道的材质特殊，应力计算时低温管道材料的选择问题将影响应力计算中力学参数的选择。

2）LNG低温管道的安全要求较高，因此在应力分析中不仅需考虑常规的安装、操作及热胀工况，还需考虑因风载荷、地震载荷、安全阀反力和水锤力等产生的偶然工况。

3）由于接收站低温管网复杂，应合理划分子模型，此外，低温管道支架、设备等边界条件的定义方法和设置方案也需综合考虑。

该文将针对LNG超低温管道的以上特点研究管道应力分析的方法。

1 材料的选择

为防止LNG管道在超低温条件下发生“冷脆”现象，LNG管道的材料需具有良好的低温韧性、抗腐蚀性能、焊接性能等。目前，具有以上各项优点的奥氏体不锈钢材料在LNG低温管道中应用较为成熟。而尤以双牌号不锈钢（如304/304L）使用较为普遍，但是，在采用CAESAR II进行应力分析时，材料库中只有单独材料（304或304L）的数据，而国内目前缺乏双牌号不锈钢的标准规范，无法在材料库中自定义该材料。

由表1可以看出，304不锈钢的屈服强度和许用应力均高于304L不锈钢的，而2种不锈钢的弹性模量、泊松比和热膨胀系数数值相同。由于304/304L不锈钢的强度满足304不锈钢的要求，故应力分析中管道材质选择304不锈钢，取其力学性能进行计算。

2 LNG低温管道载荷工况的设置

管道在安装、开车、停车等各种情况下，可能承受的载荷包括：重力载荷、压力载荷（包括内压和外压）、位移载荷、风载荷、地震载荷及机械振动载荷等。接收站一般位于海边，受风载荷影响较大;考虑接收站的安全，设计时需根据NFPA 59A标准的要求考虑地震载荷的影响;此外，还需考虑水锤力、安全阀泄放反力等的影响。

在管道应力分析中可将载荷工况分为两大类：由载荷直接组合而成的基本工况和由基本工况组合而成的组合工况。

2.1 基本工况

基本工况是根据实际需要将多个载荷进行组合，模拟不同的冷态、热态和偶然工况。主要包括：弹簧选型工况、水压试验工况、操作工况、持续工况。

2.2 组合工况

组合工况是通过基础工况的加减获取特定的载荷要求。主要包括：膨胀工况、偶然工况（纯偶然应力）、持续工况+偶然工况、膨胀工况+偶然工况。

2.3 工况组合方法

在工况组合时，一般是将基本工况“相加”或“相减”。

CAESAR II中，工况“相加”的方法主要有：平方根合成法（SRSS）、标量合成法（Scalar）和绝对值加和法（ABS）。

1）SRSS，平方根合成法的计算原理是将相关工况的位移、推力、应力均采用平方和后开方的步骤进行合成。适用于2个工况中不同方向的力/加速度/位移的合成，象各方向地震加速度的工况组合即运用此法将不同方向的加速度进行组合。

2）Scalar，标量合成法的计算原理是分别求解相关工况的应力后再进行叠加，不再单独计算各工况的位移。适用于2种工况组合求取合成应力的情况，象持续工况与纯偶然外力工况组合求取一次应力，以及热胀工况与纯偶然位移工况组合求取二次应力。

CAESAR II中，工况“相减”的方法主要是代数合成法（Algebraic），其计算原理是分别求解相关工况的位移，进行减运算得到位移差，通过该位移差求解推力、弯矩和应力。适用于求取含有非线性因素的偶然载荷的计算，象纯偶然应力工况的求取即是将考虑了偶然载荷的操作工况与正常操作工况相减。

3 边界条件的定义

应力分析的根本问题就是边界条件问题，所谓边界条件体现在工程问题上就是指管道本体结构以外的条件的模拟，如：支、吊、约束、限位、弹簧、外加位移、外加力与力矩等。是否真实地描述边界条件，是管道应力分析可以得到正确计算结果的基础，也是体现应力分析技术的关键点之一。

3.1 管道模型的划分

由于CAESAR II节点有限，无法将接收站内所有的低温管道同时建入一个模型中，因此需对管网分段，建立若干子模型分别进行分析。进行管网子模型的划分主要考虑以下几个主要方面：

1）装置单元区划：尽量将属于同一装置区域的LNG管道建在一个模型中。

2）工艺关系：根据LNG的流向和管道连接关系，尽量将且工艺关系较紧密的管道建在一个模型中。

3）管径：当管道存在分支时，由于小管径管道对大管径管道的应力影响有限，故可将管径差别较大的管道分开建模。

那么如何将各子模型间的相互影响真实反映出来呢？

1）合理选择模型交接点：尽量选在设备管口处，而当不得不在管道中间断开时，尽量选择与本模型管道工艺关系较弱，距离较远或小支管处断开，以减少相连管系对本模型的影响。

2）通过适当的边界条件定义，带入相邻模型对本模型的影响。

3.2 支架的模拟

为减少低温管道与外界的传热，LNG管道一般使用卡箍型管托，因此很难对管道在X、Y、Z 3个方向和RX、RY、RZ 3个角位移方向进行完全的限制。在对LNG保冷管道管架建模时，一般是采用各方向的组合约束模拟管架对管道的支撑和限制作用，而不是完全固定。

对于LNG管架，在低温支架的管托钢底板安装有聚四氟乙烯垫片，因此摩擦系数值设置为0.1，较普通的摩擦系数低。

3.3 管道断开点及设备条件的模拟

一般情况下，管系的断开点位于管道中或设备接口处，边界条件的定义有2种方法：

1）一是定义端点位移，反应出相连接管系/设备对该模型的影响。

2）二是将相连管系/设备在该模型中模拟出来，直至固定约束处。

管道应力分析结果的准确性与所建模型的准确性息息相关，只有真实地模拟设备的结构、支承点受力情况，才能保证管口受力结果准确。可用“虚拟刚体”模拟设备本体结构，用适当的约束条件对支承点进行模拟。

参考文献

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