LNG低温管道PIR保冷层内部温度随厚度变化的数值模拟研究

杨建坤，刘卫东，苟海平

（中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300457）

LNG低温管道PIR保冷层内部温度随厚度变化的数值模拟研究

杨建坤，刘卫东，苟海平

（中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300457）

应用ANSYS Workbench软件对LNG低温管道PIR保温结构进行稳态热分析，采用导热系数法对PIR保冷层内部温度随厚度变化进行数值模拟研究，得到PIR保冷层内部温度随保冷层厚度变化关系，该研究结果为LNG管道保冷结构的优化设计提供了理论依据。

LNG管道；PIR；数值模拟

0 引言

PIR材料自身特性满足规范 GB50246–1997对LNG管道对保冷的要求，且在深冷工程运用中保冷效果优异。相比于聚苯乙烯（EPS）、硬质聚氨酯（PUR）、橡胶（NBR）等其它保冷材料，PIR高达98%的闭孔率和在-200℃～160℃温度区间内良好的稳定性，使其成为LNG管道比较理想的保冷材料。

LNG加气站不锈钢管道内为LNG液体，管道外壁为保冷层，保冷层处在大气环境中。LNG管道在输送LNG过程中不断从周围环境中吸收热量，致使LNG管道内部的LNG汽化，这给LNG管道的安全稳定运行带来了隐患。因此，对LNG低温管道PIR保冷层内部温度随厚度变化进行数值模拟研究显得尤为重要。

1 PIR保冷层内部温度随厚度变化数值模拟

1.1 LNG管道PIR保冷层结构介绍

本文以目前LNG低温管道常用的PIR保温材料为切入点，对其保冷层内部温度变化随其厚度情况进行了数值模拟研究。

本文模拟采用LNG管道公称直径为100mm时的结构设计，管道外面保冷材料采用PIR保冷材料，保冷结构如图1所示。由于除保冷层以外的其他各层材料的导热系数较大且厚度较小，对传热模拟的影响较小，故可将LNG管道、过渡层、防潮层以及外保护层忽略，只保留保冷层。在保冷材料内表面温度为-162℃，各层材料发生热传导，导热系数取常温下的平均导热系数；假设保冷材料外表面与外界空气发生热对流，空气的对流系数为8.141W/（m2·k）；环境温度为34.8℃，模拟采用管道公称直径为DN100mm时的结构设计，保冷材料选用PIR；PIR保冷层内径为114mm，PIR保冷层厚度为97.22mm。

图1 LNG管道保冷结构图

1.2 PIR保冷层内部温度随厚度变化的模拟过程

通常在设计保冷层厚度时，采用导热系数法进行计算，实际当中大部分材料的导热系数随着温度的变化而变化。PIR的导热系数随温度变化的参考公式：

式中，λ为导热系数，W/(m·℃)；λ0为常温时的导热系数，W/(m·℃)，PIR温度为25℃时，取λ0=0.0275W/(m•℃)；t为PIR的温度，℃。

不同温度对应的PIR的导热系数，如表1所示。

模拟过程研究过程如下：

1）建立稳态热分析系统

启动ANSYS Workbench，在主界面Toolbox中调入稳态热分析系统Steady-State Thermal。

设置单位：ANSYS Workbench内置多种单位制，本例采用 Metric：在菜单栏中点击 Units，选择Metric(kg、m、s、℃、A、N、V)。

2）设置材料属性

双击Engineering Data单元格，单击Engineering Data Sources，单击Thermal Materials,添加新材料PIR：点击Click here to add new material，输入材料名为PIR，在Toolbox中选择Isotropic Thermal Conductivity，设置材料性能为各项同性，属性窗口输入温度值及对应的导热系数，得到PIR导热系数随温度变化曲线如图2所示。

表1 不同温度对应的PIR导热系数

图2 PIR导热系数随温度变化曲线

3）模型建立

PIR保冷层模型在Geometry模块下建立，主要应用拉伸Extrude命令建立模型，建立后PIR保冷层的模型如图3所示。

4）划分网格

在划分网格前将系统默认的材料改变为新建立的材料PIR。

在Model界面下的Outline中选择Mesh选项,应用Mapped Face Meshing和Sizing命令，得到均匀而系统的网格。生成后的节点数NOdes为19608，单元格数Elements为3440，PIR保冷层网格划分如图4所示。

图3 PIR保冷层的模型图

图4 PIR保冷层网格划分图

图5 PIR保冷层温度分布图

5）设置稳态热分析的边界条件

在Model界面下的 Outline中选择 Steady-State Thermal选项，添加载荷，我们分别对其进行温度载荷和对流载荷进行边界条件设置。

添加温度载荷，点击Temperature，选中保冷材料内表面，在明细栏中设置温度为-162℃。

添加对流载荷，点击Convection，选中保冷材料外表面，在明细栏中设置对流换热系数8.141W/（m2•℃），设置环境温度34.8℃。

6）稳态热分析结果后处理

显示温度分布。在Model界面下的Outline中选择Solution选项，添加Temperature，得到的PIR保冷层温度分布如图5所示，从计算结果可知PIR保冷层温度从内向外逐步增加，内侧最小温度-162℃，外侧最大温度31.789℃。

以横截面为对象计算其温度分布，在 Model界面下的Outline中选择Solution选项，添加Temperature，选择对象为path，可以得到不同的横截面下的温度分布图，PIR保冷层横截面温度分布如图6所示。

图6 PIR保冷层横截面温度分布图

2 结论

本文从LNG管道保温实际情况出发，结合PIR材料属性特点，利用ANSYS软件对LNG管道采用PIR保温时保温层内部温度随保温层厚度的变化规律进行了数值模拟研究，总体而言，保冷层的截面温度随保冷层厚度的增加逐渐升高，具体变化规律如图7所示，该结果对LNG管道采用PIR保温时厚度的确定及结构优化设计具有重要的指导意义。

图7 PIR保冷层内部温度随保冷层厚度变化曲线图

[1]翟俊红,田德永.浅谈 LNG管道保冷材料的发展和应用[J].氮肥技术,2012,32(6): 48-50.

[2]SH3010-2000.石油化工设备和管道隔热技术规范[S].

[3]GB 50264-1997.工业设备及管道绝热工程设计规范[S].

[4]彭晓顺.对低温管道保冷计算方法的探讨[J].深冷技术,1998(6): 14-15.

Research on Numerical Simulation of LNG Cryogenic Pipeline PIR Internal Temperature Changes with the Thickness of Insulating Layer

YANG Jian-kun,LIU Wei-dong,Gou Hai-ping
(CNOOC Energy Technology & Services-Oilfield Construction Engineering Co.,Tianjin 300457,China)

This paper analyzes the steady thermal state of PIR LNG cryogenic pipeline insulation structure using ANSYS Workbench software and studies the numerical simulation of PIR internal temperature changes with the thickness of insulating layer by the method of coefficient of thermal conductivity.The relationship between the internal temperature of PIR cold insulation layer and the thickness of cold insulation layer is then obtained.The results of the research provide a theoretical basis for cold structure optimization of LNG pipeline.

LNG pipeline,PIR,numerical simulation

TB3、TE9

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.003

杨建坤（1982-），男，硕士，工程师，主要从事海上平台机械设备及LNG技术等的研究工作。