LNG液化冷箱内低温管道应力分析

石丽华　王振雷

【摘 要】基于管道有限元基本理论，结合LNG液化冷箱内管道应力分析的实例，根据相关规范，分析了包括自重、冷缩、地震及风载作用在内的低温管道存在的荷载作用，并结合实际的荷载工况组合，对管道系统进行了安全性评定，并给出对该类管道系统进行应力分析可采取的切实可行的建议。

【关键词】管道应力分析；有限元；荷载组合

1.前言

近几年我国液化天然气（LNG）装置发展突飞猛进，作为液化冷箱在整个装置中起到至关重要的作用，而液化冷箱中低温管道的正确应力分析，是确保整个装置处于安全使用的一项关键设计环节。本文依据《ASME31.3工艺管道设计规范》、《GB/T 20801.3-2006工业管道—设计规范》，利用CAESARⅡ有限元软件对该液化冷箱低温管道应力分析，下面进行阐述说明：

液化冷箱主要构成部分：（1）冷箱框架；（2）珠光砂；（3）板翅换热器；（4）分离罐；（5）管道；（6）道支吊架。

下面进行管道分析，管道静力分析需要完成下列任务：（1）计算管道中的应力并使之满足标准规范的要求，保证管道的自身的安全。（2）计算管道对与其相连设备的作用力，并使之满足标准规范的要求，保证设备的安全。（3）计算管道对支吊架的作用力，为支吊架的设计提供依据，保证支吊架的安全。（4）计算管道的位移，防止位移过大造成支架脱落或管道碰撞，并为弹簧支吊架的选用提供依据。

在板翅换热器支架以上的各管道为常温管道，所以只考虑一次应力即可，在直径较大的管道上可采用支吊架防止一次应力超标，本文对此类管道就不在加以说明。在冷箱内比较重要的管道为低温管道，他不但承受一次应力，还承受二次应力。管道在-162℃ 温度下要产生冷缩，二次应力比较大，所以管道要有足够柔性。

以管道Ⅰ为例：LMR-4100-100-F3 管道直径；?120X10，压力：2.5Mpa（G） 温度：-162℃

材质：铝合金5083

节点40—节点600为Y轴 节点50—节点30为Z轴

节点50—节点60为X轴

在工作温度为-162℃下，冷箱内设备都产生冷缩，节点600与分离罐管嘴相连，经计算，节点600在Y轴方向位移5mm。节点10与节点70与板翅换热器相连，经计算，节点10在Y轴方向位移17mm，在Z轴方向位移5mm，节点70在Y轴方向位移17mm，在Z轴方向位移-2mm。冷箱内管道在计算时，不计风载，对于珠光砂对管道作用力与二次应力相比很小，可忽略不计

通过CAESARⅡ计算得如下结果：

管道Ⅰ一次应力结果：

应力报告表明整个系统的一次应力低于其允许值，最接近许用应力的一次应力发生在节点40。

管道Ⅰ二次应力结果：

应力报告表明整个系统的二次应力低于其允许值，最接近许用应力的二次应力发生在节点600。

管道Ⅰ跨度不大，又满足一次应力所以不用采用支吊架。管道节点10、40、70与已连接的各设备管嘴满足各设备许用应力的要求。计算结果不满足要求时，通常存在以下问题：（1）一次应力超标：缺少支吊架。（2）二次应力超标：管道柔性不够或三通徐加强。（3）冷态位移过大：缺少支吊架。（4）设备受力过大：管道柔性不够，支吊架设置不合理。（5）固定支架、限位支架水平受力过大：固定点、限位点位置选择不当或管道柔性不够。（6）支吊点垂直力过大：考虑采用弹簧支吊架。（7）支吊点脱空：考虑采用弹簧支吊架。（8）弹簧荷载、位移范围选择不当：人为进行调整。（9）计算工况组合不当：人为进行调整。

通过以上分析，作者认为LNG冷箱是个封闭的整体，下半部分都为为低温管路，进行管道应力分析很有必要，管道的柔性不够，会产生断裂，LNG又是易燃易爆，对整个装置，乃至整个系统都会产生巨大危害，对人身和财产都会造成不必要的损失。

2.结束语

（1）合理进行荷载工况组合对液化冷箱内管道应力和设备接口局部应力做安全性评定。

（2）二次应力对管道起主要控制作用。

（3）支吊架的选择要根据受力情况合理的选择。

【参考文献】

[1]唐永进.管道应力分析.中国石化出版社，2009.

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

[3]GB/T 20801-2006.压力管道规范.工业管道.