液化天然气低温管道应力研究

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1、液化天然气低温管道应力研究摘要：随着城市的迅速发展，人民生活水平的不断提升，对能源利用要求也越来越高了。于是，液化天然气在那些高压管线短时间内或最终无法敷设到城镇得到了迅速发展。本文重点分析了液化天然气低温管道中的冷收缩量及产生的应力、简单分析常用的补偿方式、重点分析了方形补偿器的应用。关键词：液化天然气；管道冷收缩；补偿器中图分类号：TU996.7文献标识码：A文章编号：1、引言液化天然气是在常压下将天然气冷却到-162℃形成的，其体积为气态的1/600～1/625，便于输送及储存。液化天然气低温管道逐渐成为一种常见的管道了。由于管道安装温度一般为20℃，而管道运行前需采用-196℃的液氮

2、来预冷，因此考虑管道设计温度为-196℃。根据热胀冷缩的原理，输送液化天然气的管道在这么高的温差下，一定会产生较大的冷收缩量和应力，从而拉断管道或设备，造成天然气泄漏或引发天然气爆炸等事故。因此，在生产过程中我们常采用管道自然弯曲所具有的柔性来消除由温差引起的管道应力，但为了确保管道运行安全，往往会人为的增设方形补偿器。7液化天然气管道安装完毕，投入运行后，常因温度变化较大而产生冷紧。温度变化有两方面的因素，一方面是由于环境温度的变化，冬季和夏季的温差可达到30℃以上；另一方面是由于管道本身的工作介质温度较低，冷收缩量较大。其收缩量按下式计算：△L=α△tL式中：△L-管道收缩长度（mm）α

3、-管材的线膨胀系数（mm/m·℃）△t-管道设计温度与安装温度之差（℃）L-管道长度（m）不锈钢管在液化天然气管道中应用最广，故计算公式如下：△L=0.0103△tL如果在受冷收缩的管道两端加以限制，不让管道收缩，这时在管道内部将产生很大的冷收缩应力，根据虎克定律，冷收缩应力可按以下公式进行计算：σ=εEKg/cm2式中：σ-冷收缩应力ε-相对压缩量，ε=△L/LE-钢材的弹性模数，随材质品种和工作温度的不同而变化，采用钢材的弹性模数为2×106MPa。上式表明，冷收缩应力的大小与相对压缩量和弹性模数成正比，而与管道的长度无关。则收缩应力为：7σ=Eα△tKg/cm2对于液化天然气管道，其常

4、用管材为0Cr18Ni9的不锈钢管，其线膨胀系数为14.7×10-6mm/m·℃，弹性模数为2×106MPa，上式简化为：σ=29.4△tKg/cm2利用上式很容易计算出不锈钢管冷收缩受到限制时的收缩应力。例如：一根管径为φ89×4，长度为50米的不锈钢管，管道设计温度为-196℃，安装温度为20℃，则：管道冷收缩量△L=0.0103△tL=0.0103×216×50=111.24mm；冷收缩应力σ=29.4△t=29.4×216=6350.4Kg/cm2；截面积A=πr2=3.142×［（8.9/2）2-（8.1/2）2］=10.68cm2；故管道产生的轴向拉力为F=σA=6350.4×1

5、0.68=67822.27Kg。由此可见，管道受冷收缩时，能产生较大的收缩量和轴向拉力。因此，液化天然气低温管道受冷后产生的收缩必须得到有效的补偿，否则将对管架和构筑物造成极大的破坏，危及管道系统安全。常用的补偿方式有自然补偿器补偿、波纹管补偿器补偿、方形补偿器补偿等。7自然补偿器补偿是根据管道具体走向而形成的自然弯曲来补偿其自身的收缩量的一种补偿方式，是首选方式。但是这种补偿器的有效补偿能力较差，效果不明显，往往会人为增加方行补偿器来加强管道的补偿效果。波纹管补偿器补偿是利用波纹管的伸缩来补偿管道的伸缩量的一种补偿方式，由于液化天然气是低温介质，对波纹管的材质要求很高，成本较高，更主要的是

6、波纹管补偿器不安全，保冷不好做，补偿长度有限，效果也不明显。方形补偿器补偿是利用钢管自身煨弯所具有的柔性来消除由温差引起的管道应力，当管径较大时，可采用焊接弯管制成。该种补偿器制造方便，补偿能力大，轴向推力较小，维修方便，运行可靠，对于液化天然气低温管道来说是一种非常理想的消除内应力方式。本文重点分析方形补偿器的应用。方形补偿器是由四个90°弯头组成，常用的有以下四种形式：1）、Ⅰ型：B=2A2）、Ⅱ型：B=A3）、Ⅲ型：B=0.5A4）、Ⅳ型：B=0A选择方形补偿器前，首先要计算液化天然气管道的收缩量，根据收缩量和管径，确定补偿器的形式，一般选用Ⅱ型、Ⅲ型。方形补偿器的补偿性能如下表：7从

7、上表格可以看出，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型的补偿能力是均比较强，是常选的方式。但是Ⅳ型B=0，也就是有2个90°是对接连接的，无法安装管道支架，故不常使用。整个补偿器可以用一根管子弯制而成，或4个90°弯头焊接而成。制作方形补偿器的技术条件和具体规定如下：1）、公称直径不大于150mm的方形补偿器用冷弯法弯制；公称直径大于150mm的用热弯法弯制。2）、弯头的弯曲半径应等于管子公称直径的4倍。3）、方形补偿器的4个弯头的角