龔興夏，黃志勇

（中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司，四川成都 610081）

1 外補(bǔ)償真空管應(yīng)力和位移問題提出的背景

隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，我國汽車保有量的迅速增加，機(jī)動車輛的排放污染也越來越嚴(yán)重，大中型城市霧霾天氣頻繁出現(xiàn)。近年來，新能源汽車引領(lǐng)的清潔能源行動正在我國各大中小城市火熱發(fā)展。全國各地目前已建成數(shù)量眾多的各種形式、各種類別的加氣站、加氫站或油（氫）氣合建站以及集加油、加（氫）氣、充電一體化的清潔能源供應(yīng)樞紐。

對LNG加氣站而言，LNG儲罐、設(shè)備以及管道的保冷性能無疑是其能否經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行的主要問題之一[1]。經(jīng)濟(jì)方面，LNG儲罐、設(shè)備以及管道的保冷性能不佳會增加冷損，導(dǎo)致BOG排放增加；安全方面，會導(dǎo)致設(shè)備和管道系統(tǒng)超壓，不利于設(shè)備和管道系統(tǒng)的安全運(yùn)營。對于LNG管道系統(tǒng)，除了傳統(tǒng)的保冷材料保冷方式以外，較先進(jìn)較普遍的是應(yīng)用真空管保冷。目前國內(nèi)應(yīng)用最廣的是內(nèi)補(bǔ)償真空管和外補(bǔ)償真空管。

內(nèi)補(bǔ)償真空管其補(bǔ)償器設(shè)置在真空管內(nèi)側(cè)，對真空管內(nèi)層LNG低溫引起的熱脹冷縮起到補(bǔ)償作用。這種補(bǔ)償方式有個缺點，即當(dāng)真空管內(nèi)層的補(bǔ)償器疲勞失效破損，LNG會進(jìn)入真空管的真空層迅速氣化，從真空管的抽真空嘴中噴涌而出造成LNG泄漏事故。由于補(bǔ)償器設(shè)置在真空管內(nèi)部，因此無法在巡檢時從外觀檢查判斷真空管補(bǔ)償器是否完好，導(dǎo)致內(nèi)補(bǔ)償真空管使用壽命及安全的不確定性。工程實例中，有些內(nèi)補(bǔ)償真空管使用五年以上沒有發(fā)生任何泄漏，有些內(nèi)補(bǔ)償真空管不到一年發(fā)生泄漏事故。

外補(bǔ)償真空管正是基于這個問題的一種技術(shù)革新。其將補(bǔ)償器外置，便于觀察補(bǔ)償器的使用狀況以及時發(fā)現(xiàn)安全隱患。內(nèi)補(bǔ)償真空管由于補(bǔ)償器被外層管道包裹，其受力方向和位移均限制在了軸向。而外補(bǔ)償真空管由于補(bǔ)償器的外置，受力方向和位移就顯得復(fù)雜多變（與鋼管裸管設(shè)置補(bǔ)償器類似）。在實際工程中，針對外補(bǔ)償真空管進(jìn)行應(yīng)力與位移分析，找出應(yīng)力集中以及位移較大的管位，對于合理設(shè)置管架、確保管道系統(tǒng)安全運(yùn)營有著極其重要的意義。本文就某已經(jīng)運(yùn)營多年的地下式LNG加氣站作為案例，對LNG儲罐與LNG加氣機(jī)之間的真空管展開應(yīng)力分析。

2 實例分析

2.1 應(yīng)力分析的理論

材料的破壞一般有兩種形式：流動破壞、斷裂破壞[2]。對應(yīng)于兩種材料破壞類型，強(qiáng)度理論分為材料斷裂的強(qiáng)度理論和材料流動破壞的強(qiáng)度理論。前者包括第一強(qiáng)度理論和第二強(qiáng)度理論，后者包括第三強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論。

歐美在煉油、化工等行業(yè)，對于設(shè)備以及管道終端使用的主要應(yīng)力計算標(biāo)準(zhǔn)是美國標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.3《工藝流程管道》（Process Piping）。目前我國現(xiàn)行的應(yīng)力計算規(guī)范且能夠與其對標(biāo)等效的是《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》（GB 50316—2000（2008年版））。在應(yīng)力校核條件上，上述兩個規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)存在一定差異，但非原則性的差異。就強(qiáng)度理論來說兩者采用的理論基本相同，都采用了第三強(qiáng)度理論。

ASME B31.3《工藝流程管道》（Process Piping）的一次應(yīng)力表達(dá)式為：

式（1）中：σ1為一次應(yīng)力，MPa；Fax為由于持續(xù)荷載產(chǎn)生的軸向力，N；Am為管壁橫截面積，mm2；ii為平面內(nèi)應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)；Mi為由于持續(xù)荷載產(chǎn)生的平面內(nèi)彎矩，N·mm；i0為平面外應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)；M0-由于持續(xù)荷載產(chǎn)生的平面外彎矩，N·mm；Z為抗彎截面模量，mm3；p為管道設(shè)計壓力，MPa；D0為管子外徑，mm；δ為管子壁厚，mm。

ASME B31.3二次應(yīng)力表達(dá)式為：

式（2）中：σ2為二次應(yīng)力，MPa；Mi，t為由于溫度（二次）荷載引起平面內(nèi)的彎矩，N·mm；M0，t為由于溫度（二次）荷載引起平面外的彎矩，N·mm；Mt為由于溫度（二次）荷載引起的扭轉(zhuǎn)力矩，N·mm。

二次應(yīng)力的判定方程式為：

式（3）～（4）中：σA-許用的應(yīng)力范圍，MPa；F-應(yīng)力減小系數(shù)；σc-在環(huán)境溫度下材料的基本許用應(yīng)力，MPa；σh-材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPa。

當(dāng)材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力σh＞一次應(yīng)力σ1時，其差值可用于二次應(yīng)力：

2.2 模型的建立

LNG加氣站尤其是設(shè)置半地下、地下式LNG儲罐的加氣站，由于LNG加氣管道要由罐池爬升至地面再到LNG加氣機(jī)，而LNG罐池的沉降以及LNG潛液泵的運(yùn)行振動會導(dǎo)致LNG加氣管道的振動、拉伸和位移，從而導(dǎo)致LNG加氣管道的應(yīng)力集中。作為加氣站最主要的核心管道，LNG儲罐到LNG加氣機(jī)之間的加氣管道無疑是加氣站的生命線，因此本文就某已運(yùn)營多年的地下式LNG加氣站為案例，建立LNG儲罐與LNG加氣機(jī)之間的外補(bǔ)償真空管的CAESARII模型，展開應(yīng)力分析。模型如圖1所示，該管段為長度約為40m的真空管段，管段彎頭與三通的位置以及接儲罐端直管段也設(shè)置有外置補(bǔ)償器。本站現(xiàn)場采用波紋補(bǔ)償器。模型管道端頭為固定支架，其他支架均為導(dǎo)向支架。

圖1 LNG加氣管段CAESAR II模型

上述模型中，管道系統(tǒng)運(yùn)行壓力取0.8MPa，內(nèi)管溫度為163℃，外管溫度為-30℃，環(huán)境溫度為20℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓工況。對上述模型232個節(jié)點在LNG工況以及液氮工況下一次應(yīng)力、二次應(yīng)力計算報告。

3 報告分析

3.1 一次應(yīng)力報告及分析

雖然一次應(yīng)力計算不是LNG管道應(yīng)力計算的重點，但是真空管段較保冷管段質(zhì)量大，因此由管道自身重力引起的一次應(yīng)力也不容小覷。分析計算結(jié)果可知，本模型最大的彎曲應(yīng)力集中在管段節(jié)點130、補(bǔ)償器節(jié)點3 000處，為80 430.7kPa。而扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的最大點正好是與其相鄰的節(jié)點140。這個節(jié)點正好位于LNG管道從潛液泵出口出來的水平管段中部支架支撐的位置。究其原因，LNG真空管整個垂直段的重量產(chǎn)生的應(yīng)力作用于該點，而不是直角轉(zhuǎn)彎處。如圖2所示。

圖2 LNG工況下應(yīng)力集中、位移最大點

3.2 二次應(yīng)力報告及分析

3.2.1 LNG工況下的二次應(yīng)力

二次應(yīng)力能夠比較準(zhǔn)確地反映由于真空管熱脹冷縮變形伸縮、端點位移等荷載作用所產(chǎn)生的應(yīng)力。從計算結(jié)果來看，在LNG工況下二次應(yīng)力的彎曲應(yīng)力最大的節(jié)點是節(jié)點1050，為272630.2kPa。該應(yīng)力集中的位置正好位于加氣機(jī)的接管端頭。該位置設(shè)計上采用真空軟管連接，真空軟管具有一定的彈性，能夠很好釋放管段集中的應(yīng)力。如圖2箭頭2所示。

3.2.2 液氮工況下的二次應(yīng)力

將LNG換成液氮作為對比，模擬計算，在液氮工況下的二次應(yīng)力。從計算結(jié)果來看與在LNG工況下計算結(jié)果一致，二次應(yīng)力的彎曲應(yīng)力最大的節(jié)點都是節(jié)點1050，但是彎曲應(yīng)力有所升高。值得注意的是，對比一次應(yīng)力與二次應(yīng)力的多次計算結(jié)果中，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的最大值節(jié)點位置沒有變化，都發(fā)生在節(jié)點140處。且一次扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的最大值明顯大于二次扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的最大值，LNG工況與液氮工況下的二次扭轉(zhuǎn)應(yīng)力值比較接近。就軸向應(yīng)力而言，一次應(yīng)力與二次應(yīng)力最大數(shù)值差距不明顯，但軸向應(yīng)力最大值節(jié)點發(fā)生變化。

3.3 位移報告及分析

在LNG與液氮兩種工況下計算結(jié)果表明，管道最大位移產(chǎn)生在X軸方向與Z軸方向，兩個方向最大位移值均＞23mm，而Y軸方向位移最大值＜12mm。在LNG工況下，X軸方向最大位移為23.57mm；在液氮工況下則為27.413mm。兩種介質(zhì)工況下最大位移的節(jié)點都為節(jié)點648。節(jié)點650、補(bǔ)償器10660在LNG工況下X軸方向最大位移為23.147mm，液氮工況下為26.907mm，為第二大位移節(jié)點。兩處較大位移均發(fā)生在LNG真空管水平段直角處。如圖2箭頭3所示。

4 結(jié)束語

對典型的LNG加氣站加氣管道通過CAESARII軟件模擬分析計算，得出如下結(jié)論：

1）與LNG氣體性質(zhì)類似或接近的不同介質(zhì)工況對LNG管道應(yīng)力的影響不同，但應(yīng)力集中的節(jié)點位置不變；

2）豎向架設(shè)的LNG管段，其自重荷載引起的一次應(yīng)力不能忽視；

3）液氮工況下，模擬所得的應(yīng)力數(shù)值都大于LNG模擬所得的數(shù)值，且呈現(xiàn)出與LNG相似的特性，因此使用液氮作為LNG的試壓、替代模擬介質(zhì)，計算和實驗結(jié)果是充分、可信賴的。