LNG低温管道预冷及热应力分析

LNG低温管道预冷是LNG工程投产试运行的难点，采用FLUENT软件对Φ 630 × 10 mm低温管道进行BOG气体预冷工艺模拟，在0.2 m/s、0.5 m/s、1 m/s流速下，获得了BOG预冷过程的管道温度变化规律，以及低温管道在预冷过程中的实时温度显示。导出温度数据在ANSYS软件进行热应力分析，总结出低温管道预冷规律。

LNG 低温管道安装完毕投入运行前，应对LNG 管道进行预冷工艺。由于LNG 是液态天然气，运行温度为−163℃。如果不进行预冷直接投入，不仅会产生收缩变形，而且由于冷却过快使低温管道上下表面温差产生弯曲变形及热应力破坏[1]。

预冷是确保LNG 工程项目顺利投产试运行的重点工作。首先用冷的BOG 气体在管路中循环，冷却必须慢慢的进行，使管路达到−95℃~−118℃范围内，方可直接输送LNG。通过预冷使常温的LNG 输送管道达到温度较低工作状态，保证了LNG 低温管道的运行。

2. 低温管道结构 以国内LNG 管线为例， 截取直径为Φ 630 × 10 mm 管长为5 m 的水平直管段为研究对象。

管道结构简化为由钢管和保冷层组成，采用BOG 作为预冷气体，管道钢管选用厚度为20 mm 的0Cr18Ni9，管道保冷层由两部分组成，内层为厚度为100 mm 的聚异氰尿酸脂，外层为厚度为50 mm 的泡沫玻璃，物性参数见表1。

3. 模型建立 将管道通入BOG 气体，通过与管道壁面换热，使BOG 气体的温度升高，进而实现对管道的预冷， 管道预冷到达一定程度时将冷量传递给内保温层[2]，此后，通过内、外保温层之间的导热，以及外保温层与大气环境的对流换热，使得管道外保温层的温度逐渐降低。由于低温管道的实际预冷过程较复杂， 因而为方便研究[3]，首先需要对模型进行简化： (1) 忽略管壁轴向导热，仅考虑管壁径向导热； (2) 不考虑管道外壁与保冷层之间的接触热阻； (3) 管壁和保冷材料的热容、热导率等物性不随温度变化。

在以上简化假设的基础上，该模型满足连续性方程、动量方程和能量方程，公式如(1)~(5)，保冷层导热微分方程如公式(6)：