LNG液化冷箱內(nèi)低溫管道應(yīng)力分析

石麗華　王振雷

【摘 要】基于管道有限元基本理論，結(jié)合LNG液化冷箱內(nèi)管道應(yīng)力分析的實(shí)例，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，分析了包括自重、冷縮、地震及風(fēng)載作用在內(nèi)的低溫管道存在的荷載作用，并結(jié)合實(shí)際的荷載工況組合，對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行了安全性評(píng)定，并給出對(duì)該類管道系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力分析可采取的切實(shí)可行的建議。

【關(guān)鍵詞】管道應(yīng)力分析；有限元；荷載組合

1.前言

近幾年我國(guó)液化天然氣（LNG）裝置發(fā)展突飛猛進(jìn)，作為液化冷箱在整個(gè)裝置中起到至關(guān)重要的作用，而液化冷箱中低溫管道的正確應(yīng)力分析，是確保整個(gè)裝置處于安全使用的一項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。本文依據(jù)《ASME31.3工藝管道設(shè)計(jì)規(guī)范》、《GB/T 20801.3-2006工業(yè)管道—設(shè)計(jì)規(guī)范》，利用CAESARⅡ有限元軟件對(duì)該液化冷箱低溫管道應(yīng)力分析，下面進(jìn)行闡述說明：

液化冷箱主要構(gòu)成部分：（1）冷箱框架；（2）珠光砂；（3）板翅換熱器；（4）分離罐；（5）管道；（6）道支吊架。

下面進(jìn)行管道分析，管道靜力分析需要完成下列任務(wù)：（1）計(jì)算管道中的應(yīng)力并使之滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，保證管道的自身的安全。（2）計(jì)算管道對(duì)與其相連設(shè)備的作用力，并使之滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，保證設(shè)備的安全。（3）計(jì)算管道對(duì)支吊架的作用力，為支吊架的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，保證支吊架的安全。（4）計(jì)算管道的位移，防止位移過大造成支架脫落或管道碰撞，并為彈簧支吊架的選用提供依據(jù)。

在板翅換熱器支架以上的各管道為常溫管道，所以只考慮一次應(yīng)力即可，在直徑較大的管道上可采用支吊架防止一次應(yīng)力超標(biāo)，本文對(duì)此類管道就不在加以說明。在冷箱內(nèi)比較重要的管道為低溫管道，他不但承受一次應(yīng)力，還承受二次應(yīng)力。管道在-162℃ 溫度下要產(chǎn)生冷縮，二次應(yīng)力比較大，所以管道要有足夠柔性。

以管道Ⅰ為例：LMR-4100-100-F3 管道直徑；?120X10，壓力：2.5Mpa（G） 溫度：-162℃

材質(zhì)：鋁合金5083

節(jié)點(diǎn)40—節(jié)點(diǎn)600為Y軸 節(jié)點(diǎn)50—節(jié)點(diǎn)30為Z軸

節(jié)點(diǎn)50—節(jié)點(diǎn)60為X軸

在工作溫度為-162℃下，冷箱內(nèi)設(shè)備都產(chǎn)生冷縮，節(jié)點(diǎn)600與分離罐管嘴相連，經(jīng)計(jì)算，節(jié)點(diǎn)600在Y軸方向位移5mm。節(jié)點(diǎn)10與節(jié)點(diǎn)70與板翅換熱器相連，經(jīng)計(jì)算，節(jié)點(diǎn)10在Y軸方向位移17mm，在Z軸方向位移5mm，節(jié)點(diǎn)70在Y軸方向位移17mm，在Z軸方向位移-2mm。冷箱內(nèi)管道在計(jì)算時(shí)，不計(jì)風(fēng)載，對(duì)于珠光砂對(duì)管道作用力與二次應(yīng)力相比很小，可忽略不計(jì)

通過CAESARⅡ計(jì)算得如下結(jié)果：

管道Ⅰ一次應(yīng)力結(jié)果：

應(yīng)力報(bào)告表明整個(gè)系統(tǒng)的一次應(yīng)力低于其允許值，最接近許用應(yīng)力的一次應(yīng)力發(fā)生在節(jié)點(diǎn)40。

管道Ⅰ二次應(yīng)力結(jié)果：

應(yīng)力報(bào)告表明整個(gè)系統(tǒng)的二次應(yīng)力低于其允許值，最接近許用應(yīng)力的二次應(yīng)力發(fā)生在節(jié)點(diǎn)600。

管道Ⅰ跨度不大，又滿足一次應(yīng)力所以不用采用支吊架。管道節(jié)點(diǎn)10、40、70與已連接的各設(shè)備管嘴滿足各設(shè)備許用應(yīng)力的要求。計(jì)算結(jié)果不滿足要求時(shí)，通常存在以下問題：（1）一次應(yīng)力超標(biāo)：缺少支吊架。（2）二次應(yīng)力超標(biāo)：管道柔性不夠或三通徐加強(qiáng)。（3）冷態(tài)位移過大：缺少支吊架。（4）設(shè)備受力過大：管道柔性不夠，支吊架設(shè)置不合理。（5）固定支架、限位支架水平受力過大：固定點(diǎn)、限位點(diǎn)位置選擇不當(dāng)或管道柔性不夠。（6）支吊點(diǎn)垂直力過大：考慮采用彈簧支吊架。（7）支吊點(diǎn)脫空：考慮采用彈簧支吊架。（8）彈簧荷載、位移范圍選擇不當(dāng)：人為進(jìn)行調(diào)整。（9）計(jì)算工況組合不當(dāng)：人為進(jìn)行調(diào)整。

通過以上分析，作者認(rèn)為L(zhǎng)NG冷箱是個(gè)封閉的整體，下半部分都為為低溫管路，進(jìn)行管道應(yīng)力分析很有必要，管道的柔性不夠，會(huì)產(chǎn)生斷裂，LNG又是易燃易爆，對(duì)整個(gè)裝置，乃至整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生巨大危害，對(duì)人身和財(cái)產(chǎn)都會(huì)造成不必要的損失。

2.結(jié)束語(yǔ)

（1）合理進(jìn)行荷載工況組合對(duì)液化冷箱內(nèi)管道應(yīng)力和設(shè)備接口局部應(yīng)力做安全性評(píng)定。

（2）二次應(yīng)力對(duì)管道起主要控制作用。

（3）支吊架的選擇要根據(jù)受力情況合理的選擇。

【參考文獻(xiàn)】

[1]唐永進(jìn).管道應(yīng)力分析.中國(guó)石化出版社，2009.

[2]ASME B31.3-2006 Process Piping[C].

[3]GB/T 20801-2006.壓力管道規(guī)范.工業(yè)管道.