龐聰利，薛大文，趙春慧

(浙江海洋大學(xué) 船舶與海運(yùn)學(xué)院，浙江 舟山 316022)

天然氣作為清潔能源和化工原料，具有綠色、環(huán)保、高效的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍廣泛、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，是較為安全的燃?xì)庵籟1]。利用天然氣作為能源，代替煤、石油的使用，可以減少近100%的二氧化硫和粉塵排放量，減少60%的二氧化碳排放量和50%的氮氧化合物排放量，從而有效減少酸雨的形成，緩解溫室效應(yīng)，大大改善環(huán)境污染的問題。液化天然氣(LNG)是常壓狀態(tài)下的天然氣經(jīng)壓縮冷卻至-196 ℃[2]，成為了液體狀態(tài)。天然氣液化后，其體積只有原來的1/600，從而有效節(jié)省了儲運(yùn)空間。但是由于LNG必須在低溫狀態(tài)下儲存，所以其對生產(chǎn)過程、運(yùn)輸和儲存的要求以及安全風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)提高[3]。其中，為適應(yīng)LNG的超低溫特性，需要提前對LNG管道進(jìn)行預(yù)冷作業(yè)，以完成LNG管道從常溫建造狀態(tài)到低溫運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，避免冷應(yīng)力對管道材料造成損傷和結(jié)構(gòu)傷害[4]。

許多學(xué)者采用了數(shù)值模擬對LNG低溫管道進(jìn)行應(yīng)力分析，柳華鋒[5]等人對國內(nèi)某公司20 000 m3LNG儲罐的進(jìn)液低溫管道進(jìn)行設(shè)計(jì)，并應(yīng)用Caesar 5.1軟件對此管道進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明，最大一次應(yīng)力出現(xiàn)在罐底彎頭彈簧支架處，最大二次應(yīng)力出現(xiàn)在與儲罐連接處，管道最大位移出現(xiàn)在罐底彎頭處。李旭坤[6]利用ANSYS軟件建立了LNG儲罐有限元模型，并就各種情況下儲罐模型關(guān)鍵部位的熱應(yīng)力場和位移場進(jìn)行分析，找到了應(yīng)力集中的關(guān)鍵位置。陳團(tuán)海[7]等人提出基于流固耦合的LNG儲罐進(jìn)料管道應(yīng)力分析方法，并研究進(jìn)料過程中管道最大應(yīng)力的變化規(guī)律。結(jié)果表明，LNG進(jìn)料過程中管道的應(yīng)力變化較為復(fù)雜，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)先升、后降、再升、最后穩(wěn)定的變化趨勢，且最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置隨進(jìn)料時(shí)間發(fā)生變化。盧超[8]等人采用FLUENT軟件對低溫管道進(jìn)行蒸發(fā)氣體(BOG，boil-off gas)預(yù)冷工藝模擬，在不同流速下，獲得了BOG預(yù)冷過程的管道溫度、熱應(yīng)力等變化規(guī)律。結(jié)果表明，管道熱應(yīng)力、收縮位移與預(yù)冷溫度變化、預(yù)冷流速成比例關(guān)系，為 LNG 低溫管道預(yù)冷設(shè)置熱補(bǔ)償、管道預(yù)冷速度、預(yù)冷參數(shù)提供了依據(jù)。陳峰[9]等人針對大型LNG接收站管道預(yù)冷作業(yè)，建立模型，從網(wǎng)格優(yōu)化、動(dòng)力松弛因子、相變模型選擇等方面進(jìn)行計(jì)算控制，實(shí)現(xiàn)了多組分、多相、大尺度、長時(shí)間預(yù)冷多相流的快速、穩(wěn)定計(jì)算。研究結(jié)果表明：①管道結(jié)構(gòu)不同，管道內(nèi)氣液狀態(tài)具有明顯差異；②管道位移較大點(diǎn)位于拐角處，應(yīng)力較大值集中在三通、四通的連接位置。

根據(jù)文獻(xiàn)研究表明，LNG管道在使用液氮預(yù)冷作業(yè)時(shí)，三通管道的局部構(gòu)件處容易出現(xiàn)應(yīng)力最大的情況，因此本文著重研究T型三通管處應(yīng)力隨溫度的變化情況，探究管道管徑、預(yù)冷流速對T型管管壁冷應(yīng)力及變形的影響。

1 模型建立

1.1 問題描述

本文選取某LNG管道中T型三通管為研究對象，主管內(nèi)管徑為640 mm、支管內(nèi)管徑為400 mm、管壁厚為15 mm；管道材質(zhì)為鋼，導(dǎo)熱系數(shù)為16.27 W/(m·K)；管內(nèi)流體為液氮，導(dǎo)熱系數(shù)為0.145 81 W/(m·K)，比熱容為2 041.5 J/(kg·K)，液體密度為806.08 kg/m3，動(dòng)力黏度為1.606 5×10-4kg/(m·s)。通過在AutoCAD軟件系統(tǒng)中進(jìn)行三維建模，支管內(nèi)徑為400 mm的三通管物理模型見圖1。

圖1 支管內(nèi)徑為400 mm的三通管物理模型

1.2 網(wǎng)格劃分

CFD計(jì)算中的網(wǎng)格大致可以分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格2大類。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成的速度快，網(wǎng)格質(zhì)量好，可以很容易地實(shí)現(xiàn)區(qū)域的邊界擬合，適合流體和表面應(yīng)力集中等方面的計(jì)算，而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格主要是彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格不能解決任意形狀的欠缺。

本文所模擬的模型和工況較簡單，因此在Workbench下的Meshing模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。首先對模型的入口流體、出口流體、入口端面、出口端面、流固交界面、對稱面、外壁面等各個(gè)邊界分別進(jìn)行命名。然后對T型管流體區(qū)域和固體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，抑制住固體區(qū)域，選取流體區(qū)域的壁面，插入膨脹層，并在膨脹層選項(xiàng)中設(shè)置第一層邊界層的厚度為2 mm，生成六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。同理進(jìn)行固體區(qū)域的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分效果如圖1(b)所示。

2 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 不同支管管徑的影響

本組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真模擬時(shí)，采用主管內(nèi)管徑為640 mm，支管內(nèi)管徑分別選取400 mm、300 mm、200 mm，壁厚均為15 mm，入口速度均為2 m/s，其他參數(shù)保持不變，數(shù)值模擬后得到支管內(nèi)管徑不同時(shí)的壓力分布云圖見圖2、支管內(nèi)管徑不同時(shí)的管壁總變形云圖見圖3。

圖2 支管內(nèi)管徑不同時(shí)的壓力分布云圖

圖3 支管內(nèi)管徑不同時(shí)的管壁總變形云圖

由圖2知，支管流體流入主管后，隨著管徑的增加，相同部位的壓力大小會有所增加，并且由于支管管徑增加，進(jìn)口流速不變，造成流入的流量增加，即交匯混合后流速增加。同時(shí)，可以看出速度最大值出現(xiàn)在兩管交匯處偏管壁的右下側(cè)；速度最小值為零，出現(xiàn)在交匯處靠近上管壁的右側(cè)，且隨著支管管徑的增加，范圍也逐漸增大。由圖3知，位移量較大的地方在主管與支管交匯處中心，約主管高的1/2處，并且存在一個(gè)較大的區(qū)域。表1為不同支管管徑下的位移對比，由表1可知，隨著支管管徑增加，最大位移也在不斷增加。原因是隨著管徑增加，流量增大，支管與主管的混合會更加劇烈，導(dǎo)致位移量增大。

表1 不同支管管徑下的位移對比 mm

2.2 不同預(yù)冷速度的影響

本組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真模擬時(shí)，采用主管內(nèi)管徑為640 mm，支管內(nèi)管徑為200 mm，管壁厚均為15 mm，對進(jìn)口速度分別為0.5 m/s、2.0 m/s、4.0 m/s的T型管進(jìn)行數(shù)值模擬，其他參數(shù)保持不變，數(shù)值模擬后，得到進(jìn)口流速不同時(shí)的壓力分布云圖見圖4，進(jìn)口流速不同時(shí)的管壁總變形云圖見圖5。

圖4 進(jìn)口流速不同時(shí)的壓力分布云圖

圖5 進(jìn)口流速不同時(shí)的管壁總變形云圖

由圖4知，在進(jìn)口流速增加后，管間流動(dòng)各點(diǎn)的相對壓力有著明顯的增加，并在三通管交界處出現(xiàn)一側(cè)壓力急劇增大，一側(cè)壓力急劇減小，甚至出現(xiàn)一小范圍負(fù)壓區(qū)域的情況。由圖5知，最大位移出現(xiàn)在支管和主管交匯處，在此處的變形明顯較大，其中最大值在主管與支管交匯處中心，約主管高1/2處。表2為不同進(jìn)口速度下的最大位移對比，由表2可知，進(jìn)口流速由0.5 m/s提高至2.0 m/s和4.0 m/s時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)由于進(jìn)口流速的增加，管內(nèi)流量增大，以至于混合后的流速也相應(yīng)增加，最大位移量隨著流速的增加不斷增加。

表2 不同進(jìn)口速度下的位移對比

3 結(jié)束語

本文利用WORKBENCH平臺中的FLUENT以及STATIC STRUCTURAL模塊，以三通管道為主要研究對象，研究支管管徑、進(jìn)口流速對三通管內(nèi)壓力場和管壁處變形位移量的影響。研究結(jié)果表明：一段管道中應(yīng)力、速度產(chǎn)生急劇變化的地方往往出現(xiàn)在三通管局部構(gòu)件處；三通管道管壁上所受的應(yīng)力與支管管徑的大小和支管進(jìn)口流速有著明顯的關(guān)系。其中，管道預(yù)冷過程中產(chǎn)生的位移即總變形較大區(qū)域集中在主管與支管交匯的中心，即約主管高的1/2處；當(dāng)支管的管徑增大時(shí)，最大變形量相應(yīng)增大；當(dāng)支管進(jìn)口流速增大時(shí)，最大變形量也相應(yīng)增大。