（中船第九设计研究院工程有限公司， 上海 200063）
摘 要： 对某20000m3 小型LNG船液货主管路进行应力分析，分析考虑了重力、压力、温度、风浪引起的加速度载荷以及由中垂、中拱和环境温度变化引起的船体甲板初始变形等多种作用，结果显示：管路最大应力多出现在固定支架、导向支架、自然补偿弯头等位置，在所有工况中，管路在垂向加速度（-）与重力加速度叠加工况下一次应力达到最大；几乎所有工况下发生最大位移量的位置均位于直管段最长管路的Π型补偿器，在所有工况中，液货管路在装卸时（管路温度-163℃，管路内压1.2MPa）并叠加有重力载荷、横向加速度载荷（-）以及中拱和环境温度为45℃初始位移下位移量最大。
关键词： 小型LNG船；液货主管路；应力分析
中图分类号： U664.84
Stress Analysis of Main Cargo Pipework in A Small-sized LNG Carrier
YU Xinyu，WANG Chao
(China Shipbuilding NDRI Engineering Co., Ltd, Shanghai 200063, China)
Abstract： The stress of main cargo pipework in a 20000m3 LNG carrier is analyzed. The analysis considers several factors including gravity, pressure, temperature, acceleration load caused by wind wave and initial deck transformation caused by sagging, hogging and environment temperature change. Results show that: the maximum piping stress appears frequently at the fixed support, guide support and bend for natural expansion. In all the operation modes, primary stress reaches its maximum under the operation mode coupling with vertical acceleration (-) and gravity; the maximum piping displacement appears at the Π-type expansion which is installed in the longest straight pipe. In all the operation modes, displacement reaches its maximum under the operation mode when loading/unloading (163℃ of piping temperature, 1.2MPa of piping pressure) coupling with lateral acceleration (-), gravity, and initial deck transformation caused by hogging and 45℃ of environment temperature.
Key words： small-sized LNG carrier；main cargo pipework；stress analysis
0 引言
大型LNG船舶海运是LNG运输的主要模式之一，但是一方面由于大型LNG 船舶吃水一般较深，另一方面现有的作业标准多有限制，从而导致大型LNG船无法向沿海的中小型LNG 接收站以及需求量大的沿江地区输送LNG，这就在一定程度上限制了国内LNG 产业的进一步发展。而中小型LNG船可以从大型LNG 接收站向沿海、沿江等地区进行LNG的二次转运，为浅海地区以及受内河航道水位、桥梁等限制的沿江地区调剂气源，保障这部分地区天然气的安全供应，有利于推动LNG 产业进一步健康稳步发展[1]。
LNG液货管路是LNG船的设计关键之一，其不仅要承受-163～+80℃的巨大温差，而且在船舶航行过程中，需要承受由于船体变形、船舶摇摆和速度变化等产生的惯性载荷[2]。因此，需要对LNG船液货管路进行详细的应力分析。目前已有部分研究针对陆上LNG管道及大型LNG船管路系统进行应力分析[3,4]，但对中小型LNG船的液货管路系统还未见报道。
1 应力分析对象及理论基础
1.1 分析对象
本文以某20000m3 小型LNG船为研究对象，该船布置有4个C型双筒独立液货舱，并配备BOG再液化装置。LNG船管路包含多个子管路系统，一般包括液货主管路系统、气相返回管路系统、扫仓和喷淋管路系统以及蒸发器管路系统等。各子管路系统既相互独立又相互联系，其中LNG液货主管路相比其他子管路系统管径大，距离长，最具代表性[5]。因此本研究针对该LNG船液货主管路系统进行分析，管路系统示意图如图1所示。液货主管路从4个液货舱分别敷设至装卸区，管路多采用自然补偿，其中4#液货舱管路由于直管段较长，在直管段中间位置加设Π型补偿器。
（4）由中垂、中拱和环境温度变化等引起的船体甲板初始变形率[5]
液化气船在中垂、中拱及不同环境温度下，船体会发生变形，因此需要考虑船体变形对管路的影响，船体甲板初始变形率见表2。本文研究内容为液货主管道，其与船舶甲板的连接均通过支架进行连接，船舶甲板的变形可以通过固定支架传递至管路。因此，通过计算固定支架处的甲板变形并将其作为支架的初始位移添加到模型中，以模拟船体变形对管路应力的影响。
表2 LNG船体甲板初始变形率
上述表中，变形率的单位为mm/m；正变形率表示船体甲板扩张后产生的变形，负变形率表示船体甲板收缩后产生的变形。根据不同工况下的船体变形率以及管路中各支架的位置，可以计算出管路各支架的初始位移。
1.3 应力分析理论基础
在ASME B31.3中，根据应力产生的不同性质，可将应力划分为一次应力和二次应力两大类。管道应力的校核采用不同应力进行分类校核的方法。
1.3.1 一次应力的校核条件
一次应力是指由于压力、重力和其他持续性载荷等作用产生的非自限性应力。其校核条件如式（1）：
σE——计算的最大位移应力范围，即二次应力，MPa；
[σ]A——许用位移应力范围，MPa；
许用位移应力范围[σ]A由式（4）计算：
其中：Gr——管道、绝缘层及管道内介质的重量；
T1——装卸载工况下管道温度，-163℃；
T2——热态工况下管道温度，+80℃；
P1——装卸载工况下管道内压，1.2MPa；
P2——热态工况下管道内压，0.3MPa；
E1——纵向加速度载荷，+0.35g；
E2——纵向加速度载荷，-0.35g；
E3——横向加速度载荷，+0.63g；
E4——横向加速度载荷，-0.63g；
E5——垂向加速度载荷，+1.22g；
E6——垂向加速度载荷，-1.22g；
D1——中拱引起的支架初始位移；
D2——中垂引起的支架初始位移；
D3——+45℃环境温度时的支架初始位移；
D4——-18℃环境温度时的支架初始位移。
上述工况中，工况1-6考虑管路充满低温液货时，受到海上风浪引起的不同加速度载荷，并考虑中拱引起的位移（D1）以及45℃环境气温引起的初始位移（D3）；工况7是热态工况，此时管路温度达到 80℃，并考虑中垂引起的初始位移（D2）及-18℃环境温度引起的初始位移（D4）。
2.2 计算结果及分析
2.2.1 应力分析
应力分析结果见表4。
表4 应力分析结果
根据上述分析结果，该液货主管道设计满足柔性要求，所有应力值均在许用应力范围内，最大应力多出现在固定支架、导向支架、自然补偿弯头等位置。一次应力校核中，Gr+P1+E1和Gr+P1+E2为有纵向加速度下的工况，一次应力最大值均出现在4#液货舱管路装卸区固定支架附近弯头处，即4#液货舱管路直管段一端，这是由于4#液货舱管路直管段最长，纵向加速度对其影响最大；Gr+P1+E3和Gr+P1+E4为有横向加速度下的工况，一次应力最大值均出现在4#液货舱管路Π型补偿器附近导向支架处，可见横向加速度方向对管路最大应力位置及数值影响不大，这是因为液货管路主要平行于船体纵轴线布置；Gr+P1+E5和Gr+P1+E6为有垂向加速度下的工况，一次应力最大值分别出现在1#液货舱管路中间导向支架处及4#液货舱管路装卸区固定支架处；Gr+P2为热态工况，由于管道内压较低且不叠加加速度载荷影响，因此应力较小；在所有工况中Gr+P1+E6工况应力达到最大值，这一方面是由于垂向加速度在所有加速度中最大，另一方面垂向加速度与重力加速度方向一致，叠加后影响更大，应力分布图如图2所示。二次应力校核中，应力最大值出现在T1+D1+D3工况下1#液货舱管路中间弯头处，此时还伴随有中拱初始位移及环境温度为45℃时的初始位移，应力分布图如图3所示。
图4 Gr+P1+E4—T1+D1+D3工况管路变形前后示意图
3 结论
本文对某20000m3 小型LNG船液货主管路进行应力分析，分析考虑了重力、压力、温度、风浪引起的加速度载荷以及由中垂、中拱和环境温度变化引起的船体甲板初始变形等多种作用，结果显示：
（1）管路最大应力多出现在固定支架、导向支架、自然补偿弯头等位置。在所有工况中，船体垂向加速度（-）与重力加速度叠加工况下一次应力达到最大。液货管路在装卸时（管路温度-163℃）时并伴随有中拱和环境温度为45℃下初始位移的情况下二次应力达到最大。
（2）几乎所有工况下发生最大位移量的位置均位于直管段最长管路的Π型补偿器，在所有工况中，液货管路在装卸时（管路温度-163℃，管路内压1.2MPa）并叠加有重力载荷、横向加速度载荷（-）以及中拱和环境温度为45℃下初始位移下位移量最大，最大位移发生在直管段最长管路Π型补偿器弯头处。进一步分析表明，单独一次载荷对管路位移影响很小，相比之下，由于温度变化和中垂中拱初始位移等二次载荷对管路位移则影响较大。
参考文献：
[1] 付海泉, 屈晟, 尹丹霓. 利用中小型船舶运输LNG 的可行性[J]. 油气储运, 2012, 31(11): 845-849.
[2] 王长振, 徐岸南, 王德禹. LNG 船低温管路的应力分析[J]. 船舶工程, 2010, 32(增刊2): 36-39.
[3] 孙明烨, 刘燕, 陈敏, 李蔚齐, 朱林. LNG管道应力计算与分析[J]. 煤气与热力, 2008, 28(12): B17-B19.
[4] 柳华锋, 徐华珍. LNG管道应力计算分析[J]. 化工时刊, 2013, 27(2): 21-22.
[5] 王长振. LNG船装卸货管路系统分析[D]. 上海: 上海交通大学, 2011.
[6] 中国船级社. 钢质海船入级规范[S]. 2018.
[7] 唐永进. 压力管道应力分析. 第二版[M]. 北京: 中国石化出版社, 2009.
论文作者:于新宇，王超
论文发表刊物:《科技新时代》2019年7期
论文发表时间:2019/9/11
标签：管路论文; 应力论文; 工况论文; 位移论文; 加速度论文; 载荷论文; 支架论文; 《科技新时代》2019年7期论文;