LNG管道应力分析方法

王乾

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

LNG是液化天然气(Liquefied Natural Gas)的英文简称，是由天然气在常压下冷却到-162℃转变成液态而成，其体积是气态的1/600，具有能效高、易于运输和储存的特点。在LNG产业的设计和建设中，为了保证管道自身和与其相连的设备、支吊架及土建结构的安全，管道的应力分析至关重要。

图1 LNG接收站规划图

1 管道应力分析方法

在管道应力分析工作中通常采用国际上通用的管道应力分析标准，主要以美国ASME B 31系列标准[1]。在LNG管道的分析中储罐和接收站中的管道采用ASME B31.3《工艺管道》为准，总站后的外输气总管采用ASME B31.8《输气和配气管道系统》为准。超低温管道应力分析分为静态、动态和疲劳分析三个方面。

1.1管道静态分析

管道静态分析是指管道受静载荷作用下的受力分析，包括重力载荷（管道自身、保温及管道内介质重量）、压力载荷（管道介质压力）、管道偶然载荷（风、浪等作用）及位移载荷（管道热应力及附加移位作用）。管道静力划分为一次应力、二次应力及偶然应力。以上三种应力一般称为规范应力。

一次应力：由于压力、重力及其他外力载荷的作用产生的应力，它是平衡外力载荷所需的应力，随外力载荷的增加而增加。一次应力的特点是无自限性，即当管道内的塑性区扩展达到极限状态，使之变成几何可变机构时，即使外力载荷不再增加，管道仍将产生不可限制的塑性流动，直至破坏[2]。

ASME 31.3中规定的一次应力校核条件是：管道中压力重力和其他持续性载荷所产生的纵向应力σL不超过材料在预计最高温度下的许用应力[σ]h，即：

二次应力：由于热胀、冷缩端点位移等位移载荷的作用产生的应力，它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所必须的应力，其具有自限性，即局部屈服或小量变形就可以使位移约束条件或自身连续要求得到满足，从而不再继续增大[2]。ASME 31.3中规定的二次应力校核条件是：管道中热胀、冷缩端点位移等位移载荷所产生的位移应力σE不超过材料在预计最高温度下的许用应力SA，即：

偶然应力：风、浪、流等非持续性载荷产生的一次应力，但由于是非持续性载荷，因此在校核上相对一次应力会宽松，即其许用应力会乘以一个大于1的系数。

ASME 31.3中规定的偶然应力校核条件是：管道受到压力、重力、其他持续载荷和偶然载荷产生的纵向应力σLO不超过材料在预计最高温度下的许用应力[σ]h与许用应力系数K（一般取1.33）的乘积，即：

1.2 管道动态分析

管道动态分析是指管道受动载荷作用下的受力分析，动载荷指随着时间迅速变化的载荷，管道系统不足以瞬间将其分散，产生不平衡载荷，使管道发生运动。其中包括地震、水锤、气锤、振动、安全阀泄放反力等。

动态分析的内容包括：管道固有频率分析，冲击载荷作用下的管道应力分析，管道强迫振动响应分析，往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析及往复压缩机（泵）脉动分析。往复压缩机（泵）的相关分析是为了防止气柱共振和控制压力脉动，防止造成系统共振，此项工作一般由压缩机（泵）厂家进行计算校核，工程设计单位进行协助设计，本文不再赘述。

管道固有频率分析目的是防止管道系统的共振，管道系统的固有频率往往要避开设备的运行频率以免发生共振，一般而言频率高的管道不易发生振动，使管道固有频率高于某个值，以达到不发生共振的条件。国内规范中无相应规定，一般工程公司会制定一个经验值，如2.55Hz或3.0Hz[2]。对于与离心和往复设备相连的管道而言，工程上一般采用5.0Hz和8.0Hz作为离心和往复设备相连的管道的最低固有频率值。

1.3 管道疲劳分析

管道疲劳的原因主要由以下因素导致：(1)管道的温度或压力交替变化；(2)振动源产生的周期性低幅高频位移作用。管道疲劳校核的方法一般分为三种：(1)循环当量折算法；(2)疲劳极限分析法；(3)疲劳积累损伤法。

循环当量折算法是基于管道二次应力校核的安定性原则，根据管道预计设计周期内的循环次数求出位移应力的减小系数（小于1.0），在二次应力校核中使许用应力值乘以该系数，以达到缩小位移应力范围的方法来达到避免管道疲劳。疲劳极限分析法是以材料的疲劳曲线（S-N曲线）为基础，利用不同材质管道的疲劳曲线对应的循环次数，确保管道在疲劳工况下的最大位移应力范围小于疲劳曲线上对应的应力变化幅度即可[3]。疲劳积累损伤法是以Miner准则为基础，即允许结构上危险点应力循环中的最大应力值超过疲劳极限，当最大应力超过疲劳极限时，构件内部就会产生一定量的损伤。这种损伤是可以累积的，只有当损伤累积到一定数值（即所谓临界值）时，才发生疲劳破坏，这种损伤称为积累损伤。

2 管道应力分析内容

在LNG管道应力分析中，除规范应力校核（一次应力、二次应力及偶然应力）外，还需要进行设备管口载荷评估、法兰泄漏校核、管道位移评估及支架受力校核等分析内容。

2.1 设备管口载荷评估

在设备校核过程中，按校核方法分为静设备和动设备。对于静设备，当管道的作用力过大时，会造成设备管口变形、法兰泄漏，通常做法是对不同温压等级的设备管口规定相应的许用载荷，分析过程中计算荷载不超过许用荷载。对于动设备，当管道反力过大时，会造成转动设备转子不对中、转子与定子之间间隙过大、设备振动磨损、噪音过大等问题。常见的动设备有汽轮机、离心泵、压缩机及透平，其管口校核应遵循相关标准或制造商标准，校核内容相对静设备会更复杂，不仅有管口受力及力矩的校核，还包含进出口的联合校核[3]。

2.2 法兰泄漏校核

不同的法兰适用不同的校核方法，但原理是相通的，都是校核温压条件下法兰的受力，使其满足许用条件。工程设计中，主要涉及以下两种法兰：ASME16.5法兰和NORSOK法兰。

ASME16.5法兰主要使用ASME BPVC III Division1 NC分卷第3658.3节中的方法或Kellogg公司提出的压力当量法。但对于高磅级（≥600LB）时，压力当量法较为保守，计算结果可能导致整体的法兰磅级升级，提高整个工程费用。

NORSOK紧凑型法兰较传统法兰尺寸小、重量轻，许用的外部载荷比ASME B16.5的法兰大，用于大口径、高压力管道。一般采用法兰厂家提供的允许值进行校核或者按照NORSOK L.005规范中的方法进行核算。

2.3 管道位移评估

管道位移包括竖向和水平两个方向的位移。ASME B31.3中并无相关的规定，但在工程设计中一般都会对竖直和水平方向有所限制。化工行业一般将1/2英寸（12.5mm）作为竖直方向（即管道挠度）的许用值，根据GB50316规定一般管道设计挠度不超过15mm，装置外管道挠度适度放宽，但不超过38mm。管道水平方向位移无限制，但管道位移不能与周边建构物产生干涉，所以一般会规定水平位移值（如25mm），当管道位移超过此值后应检查干涉问题。

2.4 支架受力校核

管道支架受力应考虑全温差工况和极端操作工况，但地震和风等偶然载荷不叠加考虑。工程设计过程中，一般会有不同规格的支架载荷许用表，计算出的支架载荷在许用值以内，一旦超出的话，可使用有限元方法对支架本体进行详细计算，随后会将支架受力提交给土建或结构等相关专业进行核算。

3 LNG管道应力分析中的特殊点

3.1 管道热拱

LNG管道的热拱产生有两种情况：(1)预冷阶段管道温差。LNG管道系统在预冷阶段，当低温液氮进入到管道中，在管道未充满状态前，由于液氮流速和注入点等因素，导致管道的上下表面产生较大温度差从而导致热拱；(2)辐射温差。对于无保温层的管道，当金属管道暴露在阳光下，内部流体受热不均，管道上下表面产生温度差，产生热拱现象[5]。热拱不但会产生管道的热应力，还会产生管道弯曲位移，造成管道变形和支架脱空失效现象，从而产生管道应力过大和管道破损泄漏的风险。

对于辐射热拱，一般采用在管道上喷涂反射油漆来减弱阳光辐射的吸收，从而减弱和避免辐射热拱的发生。对于预冷阶段热拱，根据LNG管道预冷经验，一般在预冷阶段采取控制预冷介质流速流量等方法，宜使预冷控制在8～10℃/h，管道预冷温差控制在50℃以内能够保证管道安全。因此在LNG管道应力分析中需要对大尺寸管道采取50℃热拱效应考虑。

3.2 OBE和SSE工况校核

在LNG储罐设计中根据BS EN 14620规范应保证在OBE地震工况前后能够保持运行，并且在SSE地震工况下具备包容LNG能力使储罐不失效。OBE（操作基准地震），不会造成损坏、不影响重新启动和可以继续安全操作的最大地震活动。SSE（安全停运地震），基本失效保护功能和机械装置设计能承受的最大地震活动。

对于基础生根在LNG储罐上的管道在校核偶然载荷时应考虑OBE和SSE工况都要满足要求，在ASME B31.3中无关于操作基准地震(OBE)和安全停运地震(SSE)的相关要求，工程设计中，OBE工况下的偶然应力按照ASME B31.3中的相关规定执行，即偶然载荷σLO小于1.33倍许用应力[σ]h，SSE工况下的偶然应力满足屈服极限法，即偶然载荷σLO小于材料的屈服极限[σ]y，

图2 LNG储罐管道应力模型

3.3 长直管道水锤

水锤是管道瞬变流动中的一种压力波，它的产生是由于管道中某一截面的流速发生了改变。这种改变可能是正常的流量调节，或因事故使管道堵塞，从而使该处压力产生突然的跃升或下降，管道水锤力主要作用在管道方向改变的地方，如弯头、三通等处，可造成管道振动甚至破裂。工程计算中对水锤力的计算使用AFT等软件进行管道工艺计算，计算获得管道载荷/时间作用

4 总结

本文结合多年的LNG管道应力分析工作，阐述了LNG管道应力的分析方法和特点，对各种荷载的校核方式进行了归纳总结，并对LNG管道中的热拱、不同地震工况校核及水锤力计算等特殊点进行了详细阐述并说明工程中的解决方案。LNG管道应力分析工作是LNG站场和储罐工程中的一项核心技术，对整个工程具有重要作用，希望本文能对相关专业同行进行此类管道应力分析时起到一定借鉴和启发。