基于ANSYS的LNG管道保冷结构分析

刘玉晗，刘宝玉，苏 鹏

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001； 2. 中海油销售惠州有限责任公司， 广州 惠州 516002）

基于ANSYS的LNG管道保冷结构分析

刘玉晗1，刘宝玉1，苏 鹏2

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001； 2. 中海油销售惠州有限责任公司， 广州 惠州 516002）

介绍了LNG管道保冷结构以及保冷层厚度的计算方法，应用有限元分析软件对LNG低温长输管道进行了稳态热力分析。在计算管道截面温度场时，采用保冷层材料导热系数随温度变化和平均导热系数两种方法进行模拟。研究结果表明温度分布基本相同，而热流密度值不同。

LNG低温管道；温度分布；数值模拟；保冷

液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG），是天然气经过脱硫、脱碳、脱水、脱重烃和杂质等预处理后，再经液化工艺冷却降温至-162 ℃而成[1]。天然气液化后的体积是原体积的1/625左右，与气态相比采用液态输送相同体积的所需输送动力费用优势明显，基本建设成本低。同时，采用LNG输送安全、环保，可以大大降低气体输送带来爆炸、环境污染的可能性。由于LNG在输送过程中温度很低，需要采取相应的保冷措施，合理的保冷绝热结构能够减少冷损失和介质温度升高，阻止保冷层表面结霜凝露，从而节约能源。通常设计计算保冷层厚度时，采用平均导热系数进行计算，实际当中大部分材料的导热系数随着温度的变化而变化。本文基于ANSYS软件对LNG低温管道结构进行了温度场分析，计算对比分析了保冷材料导热系数随温度变化和平均导热系数两种情况下的温度分布和管道径向热流率情况，为LNG管道保冷结构的优化提供了相应的依据。

1 LNG管道保冷结构及保冷层厚度计算方法

1.1 保冷结构

LNG低温管道的保冷结构如图1所示，由内而外主要有：防锈层，过渡层，保冷层，防潮层以及外保护层[2]。

图1 LNG管道保冷结构径向剖面图Fig.1 LNG pipeline insulation structure profiles

防锈层主要是防止不锈钢管道腐蚀，但是本文以文献[3]中管道实例为研究对象不需涂刷防锈漆；

过渡层材料主要一具有较高强度和弹性的无机纤维制品；

保冷层常用结构为捆扎式，由于管道和保冷材料的线胀系数不一样，为避免材料收缩后应力过大导致保冷结构损坏，要求每层保冷材料每隔4 m左右设置伸缩缝，各层伸缩缝错开，本文保冷材料选用LT/Armaflex，该制品在低温下具有较小的导热系数；

防潮层主要作用是为了防止外界湿气渗透到保冷绝热层中，产生“冷桥”使保冷材料导热系数变大，以致破坏保冷结构，但文中所选用的LT/Armaflex材料本身透湿系数为≤1.31× 10-11g/(m· s·Pa)，达到防潮标准，所以可以不设防潮层；外保护层一般由0.25～0.50 mm厚的铝材、镀锌铁皮或不锈钢构成主要作用是为了保护保冷绝热材料免受外界的影响和损伤。

1.2 保冷层厚度计算方法

低温管道保冷层的计算方法主要有外表面温度法，允许冷损失法，保冷层经济厚度法等[4]。本文仅对以下常用的3种计算方法进行分析。

（1）外表面温度法

若保冷层为多层时的总厚度的计算公式为

其中：Do—绝热层外直径，m；

Di—绝热层内直径，m；

α—绝热层外表面对大气的放热系数，W/(m2·℃)；

λi—绝热层第i层材料的导热系数，W/(m·℃)；

t, ta, ts—分别为介质（管道的外表面）、环境、外表面温度，℃。

若管道的保冷材料仅用一种则视为单层保冷，同时防止管道外表面结露，公式（1）可简化为：

式中：td—当地气象条件下最热月的露点温度，℃。

（2）允许冷损失法

多层保冷绝热情况下保冷层厚度计算公式：

其中：q’—允许最大冷损失值，W/m2；

K —对于冷损失控制较严格的管道要求对q’进行修正，一般取K=0.8～0.9；

单层保冷情况下的保冷厚度：

（3）保冷层经济厚度法

保冷层经济厚度法计算公式为：

其中：fn—热能价格，元/106 kJ；

T—运行时间，h；

∆t—∆t=ts-ta，℃；

Pi—绝热材料单位价格，元/m3；

S—绝热工程投资年分摊率。

上述3种绝热保冷层厚度的计算方法各有利弊，应该按照具体实际工程来选择最佳的计算方法，外表面温度法（防止表面结露）法和允许冷损失法应互为校核计算，选取符合要求的保冷层厚度。

2 管道温度分布模拟

本算例是基于文献[5]中实例进行的模拟计算分析。1条约6 km的LNG长输管道，输送压力1.194 MPa，管道材质选取304 L不锈钢（0Cr18Ni9），导热系数为11.8 W/(m·K)，管道外径159 mm，管道壁厚4.5 mm，管道架空，由于当地最热月平均相对湿度83%，容易在管道外表面结露，为了防止结露渗水发生所以保冷层厚度的计算方法采用外表面温度法，保冷材料按照LT/Armaflex的平均导热系数0.015W/(m·K)进行计算，得到保冷层厚度为145 mm，管道输送LNG介质温度为-158 ℃，当地夏季露点温度26 ℃，环境温度按照28.4 ℃计算，随温度变化的导热系数值如图2所示，管外壁至大气的放热系数为23.753 W/(m2·℃)，此处放热系数包含管道外壁与大气的对流换热和辐射过程，在计算过程中将辐射视为对流换热一部分。

图2 LT/Armaflex导热系数与温度的关系曲线Fig.2 Relationship curve of LT/Armaflex conductivity coefficient with temperature

用ANSYS计算分析LNG低温管道的温度分布结果如图3所示。图3(a)是取保冷材料导热系数为平均数计算得到，计算过程是线性的。图3(b)是按照保冷材料的导热系数随温度变化进行的计算分析，计算的过程是非线性的。但是从计算结果可以看出温度分布基本一致，取保冷材料导热系数的平均值进行设计即可满足外表面温度法的要求。图4所示的温度梯度在整个径向方向分布趋势一样，具体数值上差别也较小。

图3 LNG管道径向截面温度分布Fig.3 Temperature distribution of LNG pipeline profiles

图4 LNG管道径向方向温度梯度Fig.4 Temperature grads of LNG pipeline in the radial direction

LNG管道截面温度能够满足设计要求，但是从LNG管道径向热流率曲线来看，发现二者随着计算时采用的导热系数的不同得到的结果显示出差异。图5(b)中输液管管壁处的热流率明显大于图5 (a)中的输液管道管壁处的热流率；同样在保冷层外壁处(b)图中的热流率值是(a)图中相同位置的热流率值的2倍多，如果考虑到限制冷损失的情况应用平均导热系数计算在某些情况下可能会不满足条件。图5(b)中保冷材料的导热系数是随着温度的变化而变化的，所以计算出来的结果较为接近实际情况。

图5 LNG管道径向热流率Fig.5 Heat flux of LNG pipeline in the radial direction

3 结 论

LNG管道保冷层设计过程中，设计条件是满足外表面温度时，为方便计算可以采用平均导热系数进行计算；如果需要满足限制最大冷损失要考虑用保冷材料导热系数随温度变化进行计算。

［1］ 扬帆，陈保东，姜文全,等.液化天然气技术在调峰领域的应用[J].油气储运，2006，25(10):26.

［2］ 李钰.低温管道的保冷设计[J].石油化工设计，2009,26(1)：52-55.

［3］ 李庆杰，陈保东，洪丽娜,等. LNG管道输送工艺计算[J]. 当代化工，2011，40(2):163-164;167.

［4］ 张德姜，王怀义，刘绍叶. 石油化工装置工艺管道安装设计手册[M]. 北京：中国石化出版社，1994.

［5］ 李庆杰. LNG管道输送技术[D]. 抚顺：辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，2010.

Analysis of LNG Pipeline Insulation Structure Based on ANSYS Numerical Simulation

LIU Yu-han1，LIU Bao-yu1，SU Peng2
（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China；2. CNOOC Marketing Huizhou Co.,Ltd., Guangzhou Huizhou 516002, China）

LNG pipeline insulation structure and calculation methods of insulation thickness were introduced. Static temperature distribution of LNG cryogenic long-distance pipeline was analyzed by using finite software. During calculation of pipeline cross-section temperature distribution, two methods including changing thermal conductivity with temperature and average thermal conductivity of the same insulation material were used to simulate the temperature distribution,separately. The results show that temperature distributions simulated by above two methods are similar, but heat flow densities are different.

LNG cryogenic pipeline; Temperature distribution; Numerical simulation; Insulation

TE 832

A

1671-0460（2012）02-0185-04

2011-00-00

刘玉晗（1986-），女，辽宁凌源人，辽宁石油化工大学硕士研究生，LN G管道及设备保冷专业。E-m ail：okliuyuhan@163.com。