基于CAESAR模拟的外补偿真空管应力和位移分析实例

龚兴夏，黄志勇

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川成都 610081）

1 外补偿真空管应力和位移问题提出的背景

随着国民经济的持续高速发展，我国汽车保有量的迅速增加，机动车辆的排放污染也越来越严重，大中型城市雾霾天气频繁出现。近年来，新能源汽车引领的清洁能源行动正在我国各大中小城市火热发展。全国各地目前已建成数量众多的各种形式、各种类别的加气站、加氢站或油（氢）气合建站以及集加油、加（氢）气、充电一体化的清洁能源供应枢纽。

对LNG加气站而言，LNG储罐、设备以及管道的保冷性能无疑是其能否经济安全运行的主要问题之一[1]。经济方面，LNG储罐、设备以及管道的保冷性能不佳会增加冷损，导致BOG排放增加；安全方面，会导致设备和管道系统超压，不利于设备和管道系统的安全运营。对于LNG管道系统，除了传统的保冷材料保冷方式以外，较先进较普遍的是应用真空管保冷。目前国内应用最广的是内补偿真空管和外补偿真空管。

内补偿真空管其补偿器设置在真空管内侧，对真空管内层LNG低温引起的热胀冷缩起到补偿作用。这种补偿方式有个缺点，即当真空管内层的补偿器疲劳失效破损，LNG会进入真空管的真空层迅速气化，从真空管的抽真空嘴中喷涌而出造成LNG泄漏事故。由于补偿器设置在真空管内部，因此无法在巡检时从外观检查判断真空管补偿器是否完好，导致内补偿真空管使用寿命及安全的不确定性。工程实例中，有些内补偿真空管使用五年以上没有发生任何泄漏，有些内补偿真空管不到一年发生泄漏事故。

外补偿真空管正是基于这个问题的一种技术革新。其将补偿器外置，便于观察补偿器的使用状况以及时发现安全隐患。内补偿真空管由于补偿器被外层管道包裹，其受力方向和位移均限制在了轴向。而外补偿真空管由于补偿器的外置，受力方向和位移就显得复杂多变（与钢管裸管设置补偿器类似）。在实际工程中，针对外补偿真空管进行应力与位移分析，找出应力集中以及位移较大的管位，对于合理设置管架、确保管道系统安全运营有着极其重要的意义。本文就某已经运营多年的地下式LNG加气站作为案例，对LNG储罐与LNG加气机之间的真空管展开应力分析。

2 实例分析

2.1 应力分析的理论

材料的破坏一般有两种形式：流动破坏、断裂破坏[2]。对应于两种材料破坏类型，强度理论分为材料断裂的强度理论和材料流动破坏的强度理论。前者包括第一强度理论和第二强度理论，后者包括第三强度理论和第四强度理论。

欧美在炼油、化工等行业，对于设备以及管道终端使用的主要应力计算标准是美国标准ASME B31.3《工艺流程管道》（Process Piping）。目前我国现行的应力计算规范且能够与其对标等效的是《工业金属管道设计规范》（GB 50316—2000（2008年版））。在应力校核条件上，上述两个规范标准存在一定差异，但非原则性的差异。就强度理论来说两者采用的理论基本相同，都采用了第三强度理论。

ASME B31.3《工艺流程管道》（Process Piping）的一次应力表达式为：

式（1）中：σ1为一次应力，MPa；Fax为由于持续荷载产生的轴向力，N；Am为管壁横截面积，mm²；ii为平面内应力增强系数；Mi为由于持续荷载产生的平面内弯矩，N·mm；i0为平面外应力增强系数；M0-由于持续荷载产生的平面外弯矩，N·mm；Z为抗弯截面模量，mm3；p为管道设计压力，MPa；D0为管子外径，mm；δ为管子壁厚，mm。

ASME B31.3二次应力表达式为：

式（2）中：σ2为二次应力，MPa；Mi，t为由于温度（二次）荷载引起平面内的弯矩，N·mm；M0，t为由于温度（二次）荷载引起平面外的弯矩，N·mm；Mt为由于温度（二次）荷载引起的扭转力矩，N·mm。

二次应力的判定方程式为：

式（3）～（4）中：σA-许用的应力范围，MPa；F-应力减小系数；σc-在环境温度下材料的基本许用应力，MPa；σh-材料在设计温度下的许用应力，MPa。

当材料在设计温度下的许用应力σh＞一次应力σ1时，其差值可用于二次应力：

2.2 模型的建立

LNG加气站尤其是设置半地下、地下式LNG储罐的加气站，由于LNG加气管道要由罐池爬升至地面再到LNG加气机，而LNG罐池的沉降以及LNG潜液泵的运行振动会导致LNG加气管道的振动、拉伸和位移，从而导致LNG加气管道的应力集中。作为加气站最主要的核心管道，LNG储罐到LNG加气机之间的加气管道无疑是加气站的生命线，因此本文就某已运营多年的地下式LNG加气站为案例，建立LNG储罐与LNG加气机之间的外补偿真空管的CAESARII模型，展开应力分析。模型如图1所示，该管段为长度约为40m的真空管段，管段弯头与三通的位置以及接储罐端直管段也设置有外置补偿器。本站现场采用波纹补偿器。模型管道端头为固定支架，其他支架均为导向支架。

图1 LNG加气管段CAESAR II模型

上述模型中，管道系统运行压力取0.8MPa，内管温度为163℃，外管温度为-30℃，环境温度为20℃，标准大气压工况。对上述模型232个节点在LNG工况以及液氮工况下一次应力、二次应力计算报告。

3 报告分析

3.1 一次应力报告及分析

虽然一次应力计算不是LNG管道应力计算的重点，但是真空管段较保冷管段质量大，因此由管道自身重力引起的一次应力也不容小觑。分析计算结果可知，本模型最大的弯曲应力集中在管段节点130、补偿器节点3 000处，为80 430.7kPa。而扭转应力的最大点正好是与其相邻的节点140。这个节点正好位于LNG管道从潜液泵出口出来的水平管段中部支架支撑的位置。究其原因，LNG真空管整个垂直段的重量产生的应力作用于该点，而不是直角转弯处。如图2所示。

图2 LNG工况下应力集中、位移最大点

3.2 二次应力报告及分析

3.2.1 LNG工况下的二次应力

二次应力能够比较准确地反映由于真空管热胀冷缩变形伸缩、端点位移等荷载作用所产生的应力。从计算结果来看，在LNG工况下二次应力的弯曲应力最大的节点是节点1050，为272630.2kPa。该应力集中的位置正好位于加气机的接管端头。该位置设计上采用真空软管连接，真空软管具有一定的弹性，能够很好释放管段集中的应力。如图2箭头2所示。

3.2.2 液氮工况下的二次应力

将LNG换成液氮作为对比，模拟计算，在液氮工况下的二次应力。从计算结果来看与在LNG工况下计算结果一致，二次应力的弯曲应力最大的节点都是节点1050，但是弯曲应力有所升高。值得注意的是，对比一次应力与二次应力的多次计算结果中，扭转应力的最大值节点位置没有变化，都发生在节点140处。且一次扭转应力的最大值明显大于二次扭转应力的最大值，LNG工况与液氮工况下的二次扭转应力值比较接近。就轴向应力而言，一次应力与二次应力最大数值差距不明显，但轴向应力最大值节点发生变化。

3.3 位移报告及分析

在LNG与液氮两种工况下计算结果表明，管道最大位移产生在X轴方向与Z轴方向，两个方向最大位移值均＞23mm，而Y轴方向位移最大值＜12mm。在LNG工况下，X轴方向最大位移为23.57mm；在液氮工况下则为27.413mm。两种介质工况下最大位移的节点都为节点648。节点650、补偿器10660在LNG工况下X轴方向最大位移为23.147mm，液氮工况下为26.907mm，为第二大位移节点。两处较大位移均发生在LNG真空管水平段直角处。如图2箭头3所示。

4 结束语

对典型的LNG加气站加气管道通过CAESARII软件模拟分析计算，得出如下结论：

1）与LNG气体性质类似或接近的不同介质工况对LNG管道应力的影响不同，但应力集中的节点位置不变；

2）竖向架设的LNG管段，其自重荷载引起的一次应力不能忽视；

3）液氮工况下，模拟所得的应力数值都大于LNG模拟所得的数值，且呈现出与LNG相似的特性，因此使用液氮作为LNG的试压、替代模拟介质，计算和实验结果是充分、可信赖的。