超低温流体输送管道与接头焊缝处密封性能的分析方法与流程

本发明涉及一种适用于输送液化天然气或液氢的超低温流体输送管道与接头焊缝处密封性能的分析方法及系统，属于超低温流体输送。

背景技术：

1、我国某深远海区域拥有1000多亿吨油当量的油气资源，其中天然气资源占83％，在天然气资源中70％来自距离我国大陆500公里之外深水区，如何经济有效地开发深远海的天然气资源已成为关注的焦点之一。

2、浮式液化天然气生产储卸装置(lng floating production storage andoffloading unit，flng)是一种用于海上天然气田开发的浮式生产装置，通过系泊系统定位于海上，具有开采、处理、液化、储存和装卸天然气的功能，并通过与液化天然气(liquefied natural gas，lng)船搭配使用，实现海上天然气田的开采和天然气运输。利用flng进行海上气田开发结束了海上气田只能采用管道运输上岸的单一模式，节约运输成本，且不占用陆上空间。此外，flng还可以在气田开采结束后二次使用，安置于其他天然气田，经济性能较高。

3、lng卸料臂是一种安装在码头或flng上且用于lng卸料的刚性铰接管道系统，主要结构包括三维旋转接头、外臂、内臂、顶端旋转接头、基础立管以及连接内臂和基础立管之间的旋转接头等工艺管道及其支撑结构和附件。大型lng卸料臂矗立在lng接收站码头区最前端，作为接收站连接lng船舶与陆上管线及存储设施的关键核心装备，是整个接收站的“咽喉”。当lng运输船抵达接收站专用码头后，通过液相卸料臂和卸料管线，利用船上的低温泵将lng送进接收站的储罐内，同时储罐内的蒸发气(boil-offgas，bog)气体通过回气管线和气态回气臂，返回到lng运输船。lng卸料臂作业过程中，通过牵引线来引导卸料臂的端部和lng船接收端互连，以保证相对运动情况下能够准确对接，操控卸料臂的液压系统，使其能够承受船体运动导致的速度和加速度影响。

4、针对我国深远海恶劣海况条件，如果现有系泊技术与传统型刚性卸料臂难以有效解决flng与运输船载体间的差异化运动问题，就需要采用特殊设计的低温外输卸料系统，以满足低温和晃动工况的严苛要求。低温软管输送系统在重量、柔韧性、耐腐蚀性、隔热性等方面综合优势明显，flng外输作业时，行之有效的方式是采用串靠系泊，即通过系泊缆与lng运输船连接，并使用低温软管实现lng卸料，要求低温软管能承受超低温的同时，还需要克服flng与lng运输船之间相对运动的影响。

5、此外，液氢船运试验已成功实施，为液氢产业链提供了更为经济、安全的方式，对于氢能在全球范围内的推广使用具有积极意义，未来具有较强的发展潜力。液氢具有超低温、易挥发及易燃易爆特性，液氢船岸装卸输送难度大，安全要求高，技术壁垒多。液氢船岸装卸系统运行工况恶劣、动作精度要求苛刻、机电系统配合复杂，既要具备快速对接、紧急脱离、自动关闭等功能，还要承受长时间-253℃超低温考验、自动适应潮汐落差影响，世界上仅有极少数国家掌握设计与制造关键技术。

6、综上，lng刚性卸料臂、lng低温软管传输系统以及液氢船岸装卸系统等超低温流体输送系统关键技术都涉及低温材料选型、成型制造及密封、试验验证等诸多环节。材料选型与结构设计难度大，加工制造及性能测试工作难，超低温密封、连接和泄漏监测难度高，以及整套超低温流体输送系统结构复杂，安全性要求高。其中超低温输送系统的柔性管道及密封接头作为关键部件，其性能优劣直接影响超低温流体输送系统的的安全稳定运行。目前，现有技术采用的柔性管道及连接密封接头主要存在以下技术缺陷：

7、密封接头作为超低温流体输送系统的关键部件，起到连接与密封的重要作用。密封接头是在常温下(一般为20℃)进行安装，安装时主要受到螺栓预紧作用力，在安装过程中也可能会受到部分拉弯载荷。在输送超低温流体(例如lng)时，主要受到管内超低温介质的压力作用和温度(介质的温度通常为-163℃)共同作用，焊接区域的安全性对接头密封可靠性至关重要。目前对超低温柔性管道接头密封性能的研究较少，部分研究为对结构元件的焊接性能的研究和温度对密封性能的影响。总体而言，目前现有技术还没有针对接头密封性能的分析方法。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题。为此，本发明提供一种超低温流体输送管道与接头焊缝处密封性能的分析方法，以为超低温流体输送管道与接头的密封结构设计分析提供工程应用参考。

2、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供的一种超低温流体输送管道与接头焊缝处密封性能的分析方法，包括以下步骤：

4、建立超低温柔性管道与接头在常温内压荷载和低温荷载与内压共同作用下的密封性能分析有限元模型，并根据建立的密封性能分析有限元模型进行接头密封结构数值分析；

5、确定失效准则，分析所得的焊缝等效应力作为衡量超低温流体输送管道与接头焊缝处密封性能的关键指标；

6、针对焊缝间隙、钝边尺寸、焊缝余高三种因素对焊缝等效应力开展敏感性分析，确定影响焊缝强度的最敏感参数，并得到密封性能最好时的最敏感参数值。

7、所述的分析方法，优选地，所述的建立超低温柔性管道与接头在常温内压荷载和低温荷载与内压共同作用下的密封性能分析有限元模型，并根据建立的密封性能分析有限元模型进行接头密封结构数值分析具体为：

8、建立超低温柔性管道与接头的密封性能分析有限元模型；

9、对超低温柔性管道与接头在低温荷载与内压共同作用下的密封性能分析有限元模型进行计算，得到接头整体的温度分布云图，提取接头焊缝处温度的变化与焊缝平均应力的变化，得到焊缝平均应力随温度变化曲线，并分析焊缝平均应力随着温度变化规律；

10、对接头常温下受压力与接头受低温与压力共同作用下的密封性能分析有限元模型进行计算，得到常温下与低温下焊缝处受压力时焊缝等效云图应力，对比两个模型的计算结果，确定温度对接头密封性能影响作用显著，实际工程中必须考虑低温影响。

11、所述的分析方法，优选地，所述的针对焊缝间隙、钝边尺寸、焊缝余高三种因素对焊缝等效应力开展敏感性分析，确定影响焊缝强度的最敏感参数，并得到密封性能最好时的最敏感参数值包括：

12、焊缝间隙的单因素影响分析；

13、钝边尺寸的单因素影响分析；

14、焊接余高的单因素影响分析；

15、焊接间隙与钝边尺寸的协同作用影响分析。

16、所述的分析方法，优选地，所述的焊缝间隙的单因素影响分析具体为：

17、根据超低温柔性管道与接头的四分之一密封性能分析有限元模型，计算得到接头焊缝的等效应力分布，再改变焊缝间隙取值，分析接头焊缝在不同焊缝间隙大小和不同内压时的焊缝平均应力变化规律，获知焊缝间隙对焊缝平均应力数值的影响，并确定焊缝间隙最佳尺寸为2mm。

18、所述的分析方法，优选地，所述的钝边尺寸的单因素影响分析具体为：

19、根据超低温柔性管道与接头的四分之一密封性能分析有限元模型，计算得到接头焊缝的等效应力分布，再改变钝边尺寸取值，分析接头焊缝在不同钝边尺寸大小和不同内压时的焊缝平均应力变化规律，获知钝边尺寸对焊缝平均应力数值的影响，并确定钝边尺寸最佳尺寸为2mm。

20、所述的分析方法，优选地，所述的焊接余高的单因素影响分析具体为：

21、根据超低温柔性管道与接头的四分之一密封性能分析有限元模型，计算得到接头焊缝的等效应力分布，再改变焊接余高取值，分析接头焊缝在不同焊接余高大小和不同内压时的焊缝平均应力变化规律，获知焊接余高对焊缝平均应力数值的影响，并确定焊接余高最佳尺寸为0.5mm。

22、所述的分析方法，优选地，所述的接间隙与钝边尺寸的协同作用影响分析具体为：

23、根据超低温柔性管道与接头的四分之一密封性能分析有限元模型，计算得到接头焊缝的等效应力分布，再改变焊缝间隙和钝边尺寸取值，分析接头焊缝在不同焊缝间隙和焊接余高大小时的焊缝平均应力变化规律，获知接头焊缝间隙与钝边尺寸变化，导致接头焊缝体积大小发生变化，在温度载荷作用下，焊缝平均应力发生明显变化，同时当保持钝边尺寸不变，根据焊缝平均应力大小变化可知，焊缝间隙数值改变导致焊缝平均应力变化较大，密封性能发生明显变化，确定焊缝间隙就是影响接头焊缝密封性能的最敏感参数。

24、第二方面，本发明提供的一种超低温流体输送管道与接头焊缝处密封性能的分析系统，包括：

25、第一处理单元，用于建立超低温柔性管道与接头在常温内压荷载和低温荷载与内压共同作用下的密封性能分析有限元模型，并根据建立的密封性能分析有限元模型进行接头密封结构数值分析；

26、第二处理单元，用于确定失效准则，分析所得的焊缝等效应力作为衡量超低温流体输送管道与接头焊缝处密封性能的关键指标；

27、第三处理单元，用于针对焊缝间隙、钝边尺寸、焊缝余高三种因素对焊缝等效应力开展敏感性分析，确定影响焊缝强度的最敏感参数，并得到密封性能最好时的最敏感参数值。

28、第三方面，本发明提供的一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明第一方面所述的分析方法的步骤。

29、第四方面，本发明提供的一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明第一方面所述的分析方法的步骤。

30、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

31、为研究接头在低温流体输送工况下的密封性能，本发明开展力热耦合分析，建立了非粘接内波纹耐超低温柔性管道与接头焊缝在常温内压荷载和低温荷载与内压共同作用下的密封性能分析有限元模型，分析所得的焊接区域等效应力作为衡量密封结构承压能力的关键指标，并针对焊缝间隙、钝边尺寸、焊缝余高三种因素对焊接区域等效应力开展敏感性分析，可为超低温流体输送管道与接头的密封结构设计分析提供工程应用参考。