本文是一篇工程硕士论文，本文在研究LNG动力船舶管道应力时，将管内介质视为单一流体，为保证管道系统安全长期运行，如果有机会，将采用专业软件分析和研究管道应力和多相流之间的关系。
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
鉴于目前环保规范和排放标准的要求，以清洁能源液化天然气（Liquefied Natural Gas,LNG）为主的动力船舶迅速发展[1]。一方面，船的营运成本随着燃油价格一并升高[2]，另一方面，环境议题已成为全球时代的核心议题之一，内河航运与沿岸居民生活紧密相连。中国内河港口及沿岸地区的空气质量受到船舶柴油机排放大气污染物的显著影响，其中，发展清洁燃料的航运方式是缓解此类污染的关键途径，同时也为未来绿色船舶的构建提供了发展方向。
与传统船舶相比，天然气发动机具有更高的经济效益[3]。液化天然气（LNG）具有极高的热值，大约是汽油的2.5至3倍，柴油的约5倍。这是因为LNG在液态状态下能够高效储存大量能量。1立方米的LNG完全燃烧时释放的能量相当于大约1000立方米的天然气或约2500升的柴油。因此，尽管LNG的初始密度较低，但在单位体积或重量下，其热值远远超过燃油，在相同条件下提供更高的能源效率。在一些国家，由于天然气燃烧产生的温室气体排放较低，可能享受税收优惠或排放许可费用减少，进一步节省了运营成本。
尽管LNG动力船具有节能和减排的优势，但LNG的特性需要在极低温度(-163℃)下工作，这就要求LNG动力船上的LNG燃料装填管道以及部分供应管道必须采用耐低温的材料[4]。在船只狭小的空间中，既要追求经济效益，又要保障管道系统的安全性和稳定性。与其他船舶系统的管道相比，LNG动力船的低温管道系统不仅要承担重力载荷、压力载荷和船舶运动所引起的惯性载荷[5]，而且在完成LNG燃料充填和从储存罐向气供系统供应LNG的操作过程中，能够承受超低温至常温的极端温差是低温管道系统的一个基础能力，但这种极端温差必然会导致热应力在管道及其部件上产生，而且十分明显[6-8]；
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 LNG动力船的供气系统
可靠的气体燃料供应系统是船舶发动机正常运行及船舶安全的重要保障。应从多等方面对供气系统进行考虑。LNG动力船的供气系统作用是把超低温的LNG液态燃料转换成常温（根据发动机所需要求的温度不同，温度范围在20~50℃）的气态燃料，其系统设计应能保证对发动机进行稳定供气，如图1.4。供气系统一般可分为两类，低压供气系统和高压供气系统。为低压四冲程气体燃料发动机供气且供气压力小于1Mpa为“低压供气系统”，为二冲程气体燃料发动机供气且压力大于1Mpa的为“高压供气系统”。
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高压供气系统是LNG动力船供气系统所普遍采用的一种系统，其包括两种基本形式，第一种是LNG高压泵+高压气化器，第二种是LNG气化+多级压缩，该类型主要为自然蒸发。在这两种类型中，液态加压是相对较好的方式，其实现几率相对更高，所以，在把气体燃料提供给LNG燃料动力船的时候，首先会对液态LNG实施增压处理，然后对其进行高温气化处理，这样就可以直接得到可用作燃料的高压气体，典型原理如图1.5、1.6。
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第2章 管道应力分析、疲劳基本理论
2.1 管道应力分析基本理论
管道应力分析是对整个管道系统的力学性质进行综合评估，而非仅针对单一管道或局部管路系统。在工程和学术界，针对该类问题的求解通常采用有限元[50]分析技术（Finite Element Analysis，FEA），这种方法主要借助数学近似手段模拟实际物理系统，其中几何形状和载荷条件均包含在内。该技术最大的特点在于，它是一个真实系统，在追求无限未知变量时主要依靠有限数量的未知变量来实现，此过程中会用到简单且互相作用的一些元素。有限元法在实际工程中扮演者举足轻重的作用，大多数管道有限元分析软件采用将管道简化为梁单元的方法，对整体管道系统进行数值分析，只不过梁的截面形状是圆环。因此，本文采用有限元分析技术对管道系统进行应力分析计算。
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2.2 管道应力的组成及分类
2.2.1 管道应力分类
管道应力分析的目的是使管道的计算应力保持在规范中的许用应力范围以内，同时计算出作用在管道支吊架上的应力，最后帮助配管优化设计。由于无论是压力、重量、温度，还是风力、海浪、土壤等都能对复杂管线系统构成限制，因此在进行复杂管线系统设计时，应充分考虑这些限制因素，另外还要考虑到水锤气锤现象的存在，导致水锤气锤现象的因素多种多样，除了地震、动态设备振动会引发意外，阀门开启和关闭等因素也会导致这种现象的出现。这些外部负荷的影响可能导致管线结构损坏或性能下降。
其中一次应力主要由法向应力或剪应力构成，法向应力或剪应力可以起到平衡压力与其他机械载荷的作用且不可或缺，一次应力所致的总体塑性流动在材料为理想塑性材料的情况下，具有非自限性，也就是说，随着结构内部的塑性区域的不断扩展，这部分区域会发生变化，变成一种几何可变的机构，此时会进入极限状态，其塑性流动会出现失控现象，最终以破坏结束，无论载荷是否停止增加。一般情况下，一次应力为所产生应力的主要类型，这与重力、压力以及其他外部力量的影响有关。
二次应力也是由法向应力或剪应力构成，但法向应力或剪应力的产生主要是为了让结构自身变形连续性要求等得到有效满足。对比一次应力的非自限性可明确，自我限制性是二次应力最重要、最核心的一个属性，也就是说二次应力可以通过局部屈服和微小变形的方式满足约束条件或连续变形要求，使得变形进程受到抑制。如果不重复加载，结构不会因二次应力的作用出现损坏的情况。很多因素可导致有二次应力产生，包括冷缩导致的位移荷载、热胀导致的位移荷载等。
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第3章 LNG供气管系结构强度分析 ............... 23
3.1 Caesar Ⅱ 软件介绍与技术路线可行性验证 ............................... 23
3.1.1 Caesar Ⅱ 软件介绍 ......................... 23
3.1.2 技术路线可行性验证 ....................... 24
第4章 LNG动力船舶供气管系疲劳分析 .................... 45
4.1 LNG管道疲劳失效破坏形式 ............................. 45
4.2 LNG动力船舶供气系统疲劳工况 ....................... 46
第5章 LNG供气系统应力影响因素分析及方案改进 ....................... 65
5.1 LNG供气系统应力影响因素分析 ....................... 65
5.1.1 风载荷应力分析 .............................. 65
5.1.2 中垂中拱应力分析 ................... 69
第5章 LNG供气系统应力影响因素分析及方案改进
5.1 LNG供气系统应力影响因素分析
5.1.1 风载荷应力分析
本文中的LNG动力船舶管路长期服役于海上，不可避免地受到风荷载的影响，因此抗风设计是LNG动力船舶管路工程中的一个重要环节。在进行抗风设计时首先要明确风荷载对管道系统的影响程度。因此本节将围绕风荷载对管道应力的影响进行对比讨论。
通过查阅资料可知，风级、风速和风压对照如下表所示：
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第6章 总结与展望
6.1 总结
本文以 LNG动力船舶低温管路系统为研究对象，基于管道应力分析理论，采用CaesarⅡ软件建立了LNG管道数值模型，针对该模型进行了系列计算分析，主要包括：首先，对 LNG低温管路系统进行了静力计算并考虑管道疲劳影响；然后，在静力分析的基础上对比分析了温度、压力、风荷载、摩擦系数等不同因素对管道应力的影响，最后针对管道二次应力大、荷载超标问题对模型进行改进调整，最终得到了下列结论：
1、一次应力主要取决于管道持续性荷载，与支吊架跨距大小有关；二次应力主要取决于位移荷载，与管道温度、压力及管道布置有关；采用计入应力范围减小系数分析温度循环荷载对管道疲劳应力的影响，与利用疲劳工况得到的结果相比，此方法偏于保守。
2、对比附加位移荷载、加速度荷载、风荷载和温度荷载对管道应力的影响，就一次应力而言，附加位移荷载影响最大、加速度荷载次之；就二次应力而言，温度荷载影响最大、附加位移荷载影响次之、加速度荷载影响最小；风荷载对管道应力影响微弱。就管道支撑处载荷而言，位移载荷影响最大，加速度荷载次之，风荷载影响最小。
3、温度对管道二次应力和支撑处横向荷载影响显著，随着温度降低，二次应力呈增大趋势，管道支撑处横向荷载和位移变大；随着压力增大，管道一次应力逐渐增大但增幅不明显，而安装工况下支撑处荷载和位移没有变化，总体来讲改变压力大小对管道一次应力以及安装工况下支撑处荷载、位移的影响较小；风荷载不是影响管道应力的关键因素，考虑风荷载后管道系统一次应力最大值和二次应力最大值均未发生变化。对于与风荷载有关的偶然工况而言，随着风速增大，二次应力呈增大趋势。
参考文献（略）