楊建坤，劉衛(wèi)東，茍海平

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300457）

LNG低溫管道PIR保冷層內(nèi)部溫度隨厚度變化的數(shù)值模擬研究

楊建坤，劉衛(wèi)東，茍海平

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300457）

應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)LNG低溫管道PIR保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，采用導(dǎo)熱系數(shù)法對(duì)PIR保冷層內(nèi)部溫度隨厚度變化進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到PIR保冷層內(nèi)部溫度隨保冷層厚度變化關(guān)系，該研究結(jié)果為LNG管道保冷結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

LNG管道；PIR；數(shù)值模擬

0 引言

PIR材料自身特性滿足規(guī)范 GB50246–1997對(duì)LNG管道對(duì)保冷的要求，且在深冷工程運(yùn)用中保冷效果優(yōu)異。相比于聚苯乙烯（EPS）、硬質(zhì)聚氨酯（PUR）、橡膠（NBR）等其它保冷材料，PIR高達(dá)98%的閉孔率和在-200℃～160℃溫度區(qū)間內(nèi)良好的穩(wěn)定性，使其成為LNG管道比較理想的保冷材料。

LNG加氣站不銹鋼管道內(nèi)為LNG液體，管道外壁為保冷層，保冷層處在大氣環(huán)境中。LNG管道在輸送LNG過程中不斷從周圍環(huán)境中吸收熱量，致使LNG管道內(nèi)部的LNG汽化，這給LNG管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了隱患。因此，對(duì)LNG低溫管道PIR保冷層內(nèi)部溫度隨厚度變化進(jìn)行數(shù)值模擬研究顯得尤為重要。

1 PIR保冷層內(nèi)部溫度隨厚度變化數(shù)值模擬

1.1 LNG管道PIR保冷層結(jié)構(gòu)介紹

本文以目前LNG低溫管道常用的PIR保溫材料為切入點(diǎn)，對(duì)其保冷層內(nèi)部溫度變化隨其厚度情況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

本文模擬采用LNG管道公稱直徑為100mm時(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，管道外面保冷材料采用PIR保冷材料，保冷結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于除保冷層以外的其他各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)較大且厚度較小，對(duì)傳熱模擬的影響較小，故可將LNG管道、過渡層、防潮層以及外保護(hù)層忽略，只保留保冷層。在保冷材料內(nèi)表面溫度為-162℃，各層材料發(fā)生熱傳導(dǎo)，導(dǎo)熱系數(shù)取常溫下的平均導(dǎo)熱系數(shù)；假設(shè)保冷材料外表面與外界空氣發(fā)生熱對(duì)流，空氣的對(duì)流系數(shù)為8.141W/（m2·k）；環(huán)境溫度為34.8℃，模擬采用管道公稱直徑為DN100mm時(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保冷材料選用PIR；PIR保冷層內(nèi)徑為114mm，PIR保冷層厚度為97.22mm。

圖1 LNG管道保冷結(jié)構(gòu)圖

1.2 PIR保冷層內(nèi)部溫度隨厚度變化的模擬過程

通常在設(shè)計(jì)保冷層厚度時(shí)，采用導(dǎo)熱系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際當(dāng)中大部分材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的變化而變化。PIR的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的參考公式：

式中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；λ0為常溫時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)，PIR溫度為25℃時(shí)，取λ0=0.0275W/(m?℃)；t為PIR的溫度，℃。

不同溫度對(duì)應(yīng)的PIR的導(dǎo)熱系數(shù)，如表1所示。

模擬過程研究過程如下：

1）建立穩(wěn)態(tài)熱分析系統(tǒng)

啟動(dòng)ANSYS Workbench，在主界面Toolbox中調(diào)入穩(wěn)態(tài)熱分析系統(tǒng)Steady-State Thermal。

設(shè)置單位：ANSYS Workbench內(nèi)置多種單位制，本例采用 Metric：在菜單欄中點(diǎn)擊 Units，選擇Metric(kg、m、s、℃、A、N、V)。

2）設(shè)置材料屬性

雙擊Engineering Data單元格，單擊Engineering Data Sources，單擊Thermal Materials,添加新材料PIR：點(diǎn)擊Click here to add new material，輸入材料名為PIR，在Toolbox中選擇Isotropic Thermal Conductivity，設(shè)置材料性能為各項(xiàng)同性，屬性窗口輸入溫度值及對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)，得到PIR導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化曲線如圖2所示。

表1 不同溫度對(duì)應(yīng)的PIR導(dǎo)熱系數(shù)

圖2 PIR導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化曲線

3）模型建立

PIR保冷層模型在Geometry模塊下建立，主要應(yīng)用拉伸Extrude命令建立模型，建立后PIR保冷層的模型如圖3所示。

4）劃分網(wǎng)格

在劃分網(wǎng)格前將系統(tǒng)默認(rèn)的材料改變?yōu)樾陆⒌牟牧螾IR。

在Model界面下的Outline中選擇Mesh選項(xiàng),應(yīng)用Mapped Face Meshing和Sizing命令，得到均勻而系統(tǒng)的網(wǎng)格。生成后的節(jié)點(diǎn)數(shù)NOdes為19608，單元格數(shù)Elements為3440，PIR保冷層網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖3 PIR保冷層的模型圖

圖4 PIR保冷層網(wǎng)格劃分圖

圖5 PIR保冷層溫度分布圖

5）設(shè)置穩(wěn)態(tài)熱分析的邊界條件

在Model界面下的 Outline中選擇 Steady-State Thermal選項(xiàng)，添加載荷，我們分別對(duì)其進(jìn)行溫度載荷和對(duì)流載荷進(jìn)行邊界條件設(shè)置。

添加溫度載荷，點(diǎn)擊Temperature，選中保冷材料內(nèi)表面，在明細(xì)欄中設(shè)置溫度為-162℃。

添加對(duì)流載荷，點(diǎn)擊Convection，選中保冷材料外表面，在明細(xì)欄中設(shè)置對(duì)流換熱系數(shù)8.141W/（m2?℃），設(shè)置環(huán)境溫度34.8℃。

6）穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果后處理

顯示溫度分布。在Model界面下的Outline中選擇Solution選項(xiàng)，添加Temperature，得到的PIR保冷層溫度分布如圖5所示，從計(jì)算結(jié)果可知PIR保冷層溫度從內(nèi)向外逐步增加，內(nèi)側(cè)最小溫度-162℃，外側(cè)最大溫度31.789℃。

以橫截面為對(duì)象計(jì)算其溫度分布，在 Model界面下的Outline中選擇Solution選項(xiàng)，添加Temperature，選擇對(duì)象為path，可以得到不同的橫截面下的溫度分布圖，PIR保冷層橫截面溫度分布如圖6所示。

圖6 PIR保冷層橫截面溫度分布圖

2 結(jié)論

本文從LNG管道保溫實(shí)際情況出發(fā)，結(jié)合PIR材料屬性特點(diǎn)，利用ANSYS軟件對(duì)LNG管道采用PIR保溫時(shí)保溫層內(nèi)部溫度隨保溫層厚度的變化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，總體而言，保冷層的截面溫度隨保冷層厚度的增加逐漸升高，具體變化規(guī)律如圖7所示，該結(jié)果對(duì)LNG管道采用PIR保溫時(shí)厚度的確定及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

圖7 PIR保冷層內(nèi)部溫度隨保冷層厚度變化曲線圖

[1]翟俊紅,田德永.淺談 LNG管道保冷材料的發(fā)展和應(yīng)用[J].氮肥技術(shù),2012,32(6): 48-50.

[2]SH3010-2000.石油化工設(shè)備和管道隔熱技術(shù)規(guī)范[S].

[3]GB 50264-1997.工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]彭曉順.對(duì)低溫管道保冷計(jì)算方法的探討[J].深冷技術(shù),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

楊建坤（1982-），男，碩士，工程師，主要從事海上平臺(tái)機(jī)械設(shè)備及LNG技術(shù)等的研究工作。