LNG船低温管路应力分析(SHIP_ENGINEERING).doc

LNG船低温管路的应力分析

王长振1，徐岸南2，王德禹1
（1．上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2．沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

摘 要：LNG船低温液货管路因输送介质LNG的特性，在船舶装载、卸载和航行中需经历巨大温差，此外，大量频繁的船体变形和船舶摇摆也对管路造成不利影响.针对以上特点，从分析理论、参考标准、分析工具、模型简化及选择一次应力及二次应力的校核工况组合等方面展开研究，计算主要管路不同工况下的一次应力及二次应力，得出较大应力经常出现在三通、弯头或固定支座处，分析造成最大应力的原因，探索出LNG船低温管路应力分析的可行方法.
关键词：LNG船；低温管路；应力分析
中图分类号：U664.84 文章标志码：A 文章编号：1000-6982 (2010) S2-0001-04

Stress Analysis of Cryogenic Pipeline of LNG Carrier

WANG Chang-zhen1, XU An-nan2, WANG De-yu1
(1.National Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China; 2. Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co. Ltd., Shanghai 200129, China)

Abstract: Because of the characteristics of the LNG, the cryogenic pipeline of LNG carrier will withstand a huge temperature difference during the loading, unloading and sailing. In addition, a mass of hull deformation and the ship rolling will also have an adverse effect on the pipeline. According to the above characteristics, several main points which include analysis theory, reference standard, analysis tool, simulation and selection of checking conditions etc are elaborated in the thesis. The first stresses and the second stresses of the pipeline in different checking conditions are calculated. The conclusion that the tees, bends and anchors often have a high stress is confirmed. The reason of the maximum stress is analyzed. A feasible analysis method for the cryogenic pipeline of LNG carrier is obtained.
Key words: LNG carrier; cryogenic pipeline; stress analysis

— 3 —
0 引言
作为LNG船设计建造的难点之一，用于装卸货的低温液货管路系统结构复杂，需要经受-163℃~ +80℃的温度变化以及10Bar的内压，且有严格的保冷要求.由于在船舶装载、卸载和船舶航行时，低温管路的温差特别大，管路及支架因温度变化产生温度应力.船舶航行状态下大量频繁的船体变形及船舶摇摆和速度变化造成的惯性载荷也使低温管路产生应力，因此有必要对该管路进行充分的应力分析.在国内已开展的管道应力分析研究中，已有对陆上LNG管道应力计算的分析[1]，介绍了LNG管道应力计算的理论和参考标准等，也有对船舶管路，比如油船甲板以上重要管路的应力分析研究[2]，评判了油船管路的应力水平，证明了管路应力分析对船舶管路系统设计的重要性.本文借鉴有关陆上LNG管道及普通船舶（例如油船）管道的研究经验，结合LNG船的特点，以国内生产的某型LNG船上低温液货管路主要部分为对象展开研究，探索出一套可行的LNG船低温管路应力分析方法.

1 研究对象及工具
1.1 研究对象
结合国内首次生产的某型LNG船，对甲板以上低温液货管路系统的主要部分进行建模分析，取

收稿日期：2010-06-18；修回日期：2010-08-10
作者简介：王长振（1986-）男，在读研究生，从事专业：船舶与海洋结构物设计制造.

作研究对象的管路是指装卸货管路系统中液货管路的甲板以上部分，是整个系统的核心部分，具有管径大，组成部件多，距离长等特点，具有最强的代表性.该管路的组成部件主要有：管道、阀门、膨胀接头、导向性支座、固定支座、三通、弯头、变径接头等.

图1 低温液货管路系统图示

1.2 研究工具
使用国际通用的管道应力分析软件，美国COADE公司的CAESAR II软件.

2 应力分析理论
管道应力的校核主要是为了防止管壁内应力过大造成管道自身的破坏.不同的载荷产生不同类型的应力，而不同的应力对破坏的影响也各不相同，如果按照等效综合应力（比如Von. Mises应力）来校核可能导致结果过于保守，因此管道应力的校核一般采取将应力分类进行校核的方法.通常将管道及元件在不同载荷作用下的应力分为两类，即一次应力和二次应力[3,4].
2.1 一次应力
一次应力是指由于管道受到外部载荷作用而产生的应力.此应力的特点是：满足与外载荷的平衡关系，随外部载荷的增大而增大，无自限性.自限性是指管道内的塑性区域扩展达到极限状态后，局部屈服或小量变形就可以使位移约束条件或自身变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大[4].该特性是一次应力与二次应力的主要区别之一.管道承受的介质内压、自重、介质重量等持续外部载荷产生的应力均属一次应力[5].
ASME B31.3虽未明确给出规定的一次应力的表达式，但可认为其中规定的纵向应力为一次应力.ASME B31.3中规定计算管道纵向应力时应考虑轴向力的作用，因此一次应力由压力、附加轴向外力和弯矩引起，即：
（1）
式中，s1为一次应力；sL为管道纵向应力；F为压力引起轴向力之外的附加轴向力；A为管道横截面积；P为设计压力；D为平均直径；S为壁厚；M为合成弯矩；W为抗弯截面模量.
一次应力的校核标准为：
（2）
式中，[s]h为在预计使用寿命内，材料在热态（预计最高温度）下的许用应力.
2.2 二次应力
二次应力是指由于管道变形受到约束而产生的应力.此应力的特点是：它不直接与外力平衡，具有自限性.管道由于热胀冷缩、位移受阻等产生的应力均属二次应力.在LNG船低温管路系统中，温度变化和船体变形是引起二次应力的主要原因.
ASME B31.3中规定的位移应力sE即管道的二次应力：
（3）
式中，s2为二次应力；Mi为平面内热胀弯曲力矩；Mo为平面外热胀弯曲力矩；ii为平面内应力增大系数；io为平面外应力增大系数；Mn为扭矩；W为抗弯截面模量.
二次应力的校核标准为：
（4）
其中，[s]A为许用位移应力；[s]c为在预计使用寿命内，材料在冷态（预计最低温度）下的许用应力；f为管道位移应力减小系数，依据ASME B31.3中的规定[3]，结合LNG船设计寿命及使用周期，此处f值取为1.

3 工况组合及意义
3.1 校核工况及载荷
表1为校核工况的组合情况.其中载荷：W为管路及流体的重量；T1为海上卸载时管路温度；T2为左舷装货时管路温度；T3为紧急卸货时管路温度；T4为热态时管路温度；P1为海上卸载时管路内压；P2为左舷装货时管路内压；P3为紧急卸货时管路内压；P4为热态时管路内压；+U1为纵向正加速度；-U1为纵向负加速度；+U2为横向正加速度；-U2为横向负加速度；+U3为垂向正加速度；-U3为垂向负加速度；F1为岸站装载时管路承受的FX、FY、FZ和MX均为正的集中载荷组合；F2为岸站装载时管路承受的FX、FY、FZ和MX均为负的集中载荷组合；F3为紧急卸载时管路承受的FX、FZ和MX均为正，FY为负的集中载荷组合；F4为紧急卸载时管路承受的FX、FZ和MX均为负，FY为正的集中载荷组合；D1为中拱引起的初始位移；D2为中垂引起的初始位移；D3为+45℃热态时的初始位移；D4为-18℃冷态时的初始位移.
表1 校核工况组合
校核工况
应力分析
位移及支架分析
校核工况
应力分析
位移及支架分析
持续载荷
(一次载荷)
热载荷
(二次载荷)
操作工况载荷
持续载荷
(一次载荷)
热载荷
(二次载荷)
操作工况载荷
01-海上卸载
W+P1+(+U1)
T1+D1+D3
SUS01+EXP01
07-岸站装载
W+P2+F1
T2+D1+D3
SUS07+EXP07
02-海上卸载
W+P1+(-U1)
T1+D1+D3
SUS02+EXP02
08-岸站装载
W+P2+F2
T2+D1+D3
SUS08+EXP08
03-海上卸载
W+P1+(+U2)
T1+D1+D3
SUS03+EXP03
09-紧急卸货
W+P3+F3
T3+D1+D3
SUS09+EXP09
04-海上卸载
W+P1+(-U2)
T1+D1+D3
SUS04+EXP04
10-紧急卸货
W+P3+F4
T3+D1+D3
SUS10+EXP10
05-海上卸载
W+P1+(+U3)
T1+D1+D3
SUS05+EXP05
11-热态
W+P4
T2+D2+D4
SUS11+EXP11
06-海上卸载
W+P1+(-U3)
T1+D1+D3
SUS06+EXP06

3.2 校核工况组合的意义
海上卸载：持续载荷主要为自重W、压力P1和海上波浪运动引起的各方向加速度载荷的组合[6]，其中加速度载荷的影响是校核工况的主要目的.纯热态工况载荷由温度T1、位移D1和D3组成，位移D1是由中拱引起，位移D3由45℃的环境温度引起.在管路的所有工况中，-163℃低温下的收缩与中拱和45℃气温下的扩展是造成二次应力的主要原因.
岸站装载：在装载的过程中，装载系统对船上液货系统的载荷主要是作用在接头处的集中载荷，因此由装载系统所施加的集中载荷的极值（F1和F2）、管道自重（W）和该操作工况下的管道内压（P2）组成该操作情况下的持续载荷.纯热态工况载荷由T2、D1、D3组成.
紧急卸货：此时的持续载荷当由卸载系统所施加的集中载荷的极值（F3和F4）、管道自重（W）和该操作工况下的管道内压（P3）组成.纯热态工况载荷由紧急卸载时的温度工况（T3）及初始位移（D1）、（D3）组成.
热态：在货舱扫舱后液货系统升温过程中，管路最高温度可达到80℃，此时持续载荷仅由管道自重（W）和管道内压（P4）组成.校核二次应力的热载荷由管路最高温度（T4）、中垂引起的初始位移（D2）及最低环境温度引起的初始位移（D4）组成.

4 模拟计算
使用CAESAR II软件对该管路进行模拟计算，该软件是一款国际通用的管道分析软件，应用效率较高.针对LNG船低温管路的特点，在建模过程中有以下几点需要注意：
1）船体变形对管路影响的合理模拟.文中研究目标为甲板以上管路，其与船舶甲板的连接均为支架连接，船舶甲板的变形通过支架的传递影响管路.因此，计算出不同支架处的甲板变形后作为支架的初始位移添加到模型的定义中，模拟船体变形对管路的影响.
2）管路穿越甲板处及与岸站连接处的模拟.管路中的大部分支架都可以视为导向性约束，即允许管道可以沿轴向自由移动，但是在船舶垂向穿越甲板处管道是与甲板完全固定的，在与岸站连接的支管处也是如此，所以此两种端部可以模拟成有初始位移的固定约束.

图2 管路整体模型

图3 岸站连接处局部模型

3）膨胀接头的详细建模.该管路中使用了大量的膨胀接头来吸收管道变形，不同的膨胀接头刚度不同，在不同方向上可吸收的变形量也不同，因此合理的模拟膨胀接头对于精确分析整个管路系统的变形和应力非常重要.文中采取了详细建模的方式，以无重刚性杆件模拟膨胀接头的拉杆，由关联约束的间隙模拟膨胀接头的最大吸收变形量，由此更好地模拟出每个膨胀接头的不同特性.

图4 穿越甲板处局部模型
5 计算结果及分析
表2为应用分析的结果情况.
分析表2中的数据，有以下结论：
1）该LNG船低温管路系统的一次应力和二次应力均在设计标准的许可范围内.
2）一次应力的最大值出现在持续工况W+P2+F2和W+P3+F4下，最大值为91.4MPa，为许用应力的84.4%.
3）二次应力的最大值出现在纯热态工况T1+D1+D3下，由详细计算结果知，其对应的持续工况为W+P1+(-U3).最大值为181.6MPa，为许用应力的76.2%.

表2 应力分析结果
应力
计算工况
综合应力/MPa
轴向应力/MPa
弯曲应力/MPa
扭转应力/MPa
应力值
Ratio
节点号
应力值
节点号
应力值
节点号
应力值
节点号
持续
工况
(校核
一次
应力)
W+P1+(+U1)
79.4
73.4%
4750
26.6
3970
67.2
4190
17.4
3340
W+P1+(-U1)
71.3
65.8%
1040
27.4
3970
68.1
4190
14.9
4220
W+P1+(+U2)
86.0
79.5%
4435
26.8
3970
109.4
3779
18.7
4750
W+P1+(-U2)
84.1
77.7%
1380
29.4
310
109.5
4630
17.6
4220
W+P1+(+U3)
50.7
46.8%
4750
27.0
3970
35.3
4190
9.6
4750
W+P1+(-U3)
89.4
82.6%
3340
26.9
3970
98.0
4190
23.3
3340
W+P2+F1
88.8
82.1%
1540
27.0
3970
78.8
1540
15.6
4220
W+P2+F2
91.4
84.4%
1540
27.0
3970
81.3
1540
15.6
4220
W+P3+F3
88.8
82.1%
1540
27.0
3970
78.8
1540
15.6
4220
W+P3+F4
91.4
84.4%
1540
27.0
3970
81.3
1540
15.6
4220
W+P4
52.6
55.0%
4190
8.1
3970
66.6
4190
15.6
4220
纯热态
工况
(校核二
次应力)
T1+D1+D3
181.6
76.2%
4020
8.9
1710
181.6
4020
22.3
4299
T2+D1+D3
181.0
73.8%
4038
8.9
1710
181.8
4020
18.9
4299
T3+D1+D3
180.8
73.7%
4038
8.9
1710
181.8
4020
18.9
4299
T4+D2+D4
103.2
41.9%
4038
3.5
2520
103.2
4038
90.2
4299
注：1）表中各应力值均为该应力在相应工况下的最大值；2）对应的节点号为最大值出现的节点编号；3）Ratio为最大综合应力值与许用应力值的比值.

6 结论
本文以某型LNG船为例，结合LNG船低温液货管路的特点，从分析理论、参考标准、分析工具及校核工况的选择等方面展开探讨，由数值计算结果可知该型LNG船低温液货管路的一次应力及二次应力均满足设计标准要求；对比各工况的计算结果及查看最大应力节点的位置后可知，船岸连接作业时由岸上装卸载系统施加的集中载荷是使一次应力最大的主要原因；结合分析模型及计算结果可见，应力较大的节点往往出现在三通、弯头或固定支座处.以上结论证明了文中的分析思路和方法是可行的，由此得到了一种适用于LNG船低温液货管路系统应力分析的方法，对于今后该类型管路的分析具有一定的借鉴参考价值.

参考文献：
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