CHOI Hyosun责任 

船舶海洋技术组 

液化天然气（LNG，Liquefied Natural Gas）作为替代化石燃料的环保燃料，作为减少二氧化碳产生、实现碳中和的能源备受关注，LNG运输船和LNG推进船舶的需求大幅增加。值得一提的是，LNG是将天然气在-163℃液化的极低温状态，储存、运输和装卸时使用的极低温管道装置需要防止损坏和泄漏。在IGC&IGF Code中，设计温度在-110℃以下或适用高压燃料管道系统的LNG运输船和LNG推进船舶的管道装置根据国际认可的代码（Code）要求进行管道应力分析（Piping Stress Analysis）。

Fig. 1 Illustration for Cryogenic Piping Stress Analysis

管道应力分析是指在设计管系(Piping System)时是否符合相关法规及代码的最低要求事项,并确认结构的安全性，考虑对管系的自重、内压、风、热及Sagging/Hogging引起的船体变形等确认Piping Layout和 Support 位置安全性。极低温管道应力分析使用广泛支持ASME、API等国际代码的CAESAR II。

Fig. 2 CAESAR II automatically supports ASME B31.3 allowable stress

代码（Code）是保护最终用户生命和财产的规定是指强制要求（Mandatory），规定了材料和产品的最低要求、检查、试验条件和操作程序等。对于极低温管道，采用实际运行条件的管道应力分析基于ASME B31.3 Process Piping Code执行。

ASME Code分为多个类别规定了应力评估。这意味着管道材料的各种破坏模式，如过度塑性变形、过度弹性变形、脆性破坏、应力破裂等，在管道内作用的应力种类及形态不同，对管道破损的影响也不同。主应力（Primary Stress）和次应力（Secondary Stress）的特性如下：

主应力是管道自重、压力、风等载荷作用于管道系统时，为实现力和力矩平衡而产生的应力，没有 Self-Limiting。例如，当内压作用于管道时, 管道会产生应力，即使变形导致管道直径增加，只要存在内压，就会存在相同的应力。也就是说，如果载荷作用在管道上，就会产生应力，即使发生变形，也会保持应力。典型的主应力有膜应力（membrane stress）和弯曲应力（Bending stress）。主应力的安全性与否应以Sustained case和Occasional case进行评估，并与管道材料的允许应力（Allowable Stress）进行比较。

次应力不是为使外力与力矩平衡而产生的应力，而是由管道约束(Constraint)产生的应力，具有Self-Limiting。Self-Limiting是指发生局部屈服或小变形时，应力有利于重新分配的现象，即使应力大于材料的屈服应力，也不会发生急剧的管道损坏。典型的次应力有热应力（General Thermal Stress）和不连续部位的弯曲应力（Bending Stress in Gross Structural Discontinuity），对次应力的安全性应通过Expansion case进行评估，并与允许应力范围（Allowable Stress Range）进行比较。

特别是在ASME B31.3中明确规定的Load case中，可以区分主应力和次应力进行评估的案例是Operating Case。从载荷组合来看，由“自重（W）+耐压（P）+热（T）”组成，产生一次应力的载荷成分自重和耐压与产生次应力的载荷成分热组合在一起。因此在该情况下不评估应力，只计算Displacement和Force来判断安全性。

Table. 1 Load case defined by ASME B31.3

ASME B31.3中定义的4种加载情况可将应力（Stress）、位移（Displacement）和作用于支架的载荷（Restraint）表示为Table.2，在此基础上的主要研究项目如下。

Table.2 Output Data

应力应判断最大应力是否在ASME B31.3中规定的允许应力内，应考虑最大应力发生位置、需要最大应力的Load case以及最大应力与允许应力的比例等因素判断安全性。

当管道系统产生应力时，会根据大小、方向、支架的种类等发生位移，如Table.2 Displacement可以参照方向位移来预测管道的行为。特别是要判断管子中的位移是否在垂直方向或水平方向过度，以及Thermal Expansion或Occasional case中的位移值是否过度，与周围结构产生干涉。

参照Table.2Restraint，可以考虑作用在支撑管道的支架上的载荷方向和大小，判断是否会产生过大的载荷，并以此为基础决定支架的加固方法。