一、温度应力到底有多大？

奥氏体不锈钢从20℃降到-196℃，每米收缩约3.5mm。一根10米长的直管段要缩35mm——相当于把两个指节的长度硬生生拉掉。这个力足以把管道支架拉弯、把焊缝拉裂。

有研究者专门针对低温流量计标定平台冷箱内的管道，考虑了静压和温度的热固耦合作用，建立了以稳态热传导为基础的低温管道热应力模型。结论是：低温管道的应力状态受温度场影响极大，若不进行热固耦合计算，设计结果可能偏于危险。

不同材料的收缩量差异很大。铝制管道的收缩量更大，但不锈钢管道因为强度高、韧性好而更常用。无论哪种材料，如果不给管道预留收缩空间，热应力都可能超过材料的屈服强度。

二、管夹设计也有讲究？

LNG动力船舶的冷箱管路研究中，研究者提出了“极端管夹约束”的概念，用SolidWorks和ANSYS对管路建模分析，确定了超低温管路的变形和应力极限值。管夹卡得太死和太松都不行——太死了应力释放不掉，太松了管道乱晃。

有研究专门分析了高真空多层绝热低温管道内波纹管的应力，发现波纹管管壁较薄，在较大轴向力作用下发生大变形，经过一定次数的循环后可能疲劳断裂。特别是在温度交变频繁的场合，波纹管的疲劳寿命可能远低于设计预期。

三、波纹管不是万能的，自然补偿才是正解

很多人觉得装个波纹管补偿器就万事大吉了。但波纹管在深冷环境下要承受液体内压和反复的冷热循环，实际使用中经常出现疲劳断裂。

研究者用有限元方法对高真空多层绝热低温管道进行多场耦合分析时发现，由于内管道波纹管几何及材料的非线性特性，使整个分析过程极为耗时，但结论很明确——波纹管是薄弱环节。

最可靠的补偿方式是自然补偿——利用管道的L形弯头、Z形弯头吸收变形。省钱、可靠、没有额外部件会坏。但缺点是占空间。空间不够的时候才考虑波纹管补偿器，但要做专门的疲劳寿命校核。有研究用AutoPIPE软件对热力管道建模，进行应力计算和分析，对架空自然补偿段的热力管道进行优化设计。

四、低温压力容器的应力分析更复杂。

低温压力容器不光是管道的问题，整个罐体都要算。有研究者用有限元方法分析了某中型立式LNG低温储罐的结构强度和稳定性，对罐体在正常工作压力和地震载荷下进行应力分析，验证了罐体、裙座和基础的整体安全性。

还有研究者专门研究了低温LNG运输罐车在运输过程中的应力——发现常规设计方法有个大问题：只关注静止状态，忽略了运输工况。罐车在路上颠簸，罐体受到的动载荷可能比静态大得多。根据容器的实际运输条件建立计算模型并进行分析，能够解决运输罐车的运输安全设计问题。

更精细的是LNG联运罐箱低温安全阀的研究——用有限元软件算温度场和热结构耦合应力场，再用实际低温实验数据验证。从阀门到管道到罐体，每一个环节都要算。

五、总结

我们在液氮真空环境舱的设计中，所有低温管线全部做热补偿设计——能走自然补偿的走自然补偿，空间不够的用波纹管补偿器但做疲劳校核。所有承压部件做有限元应力分析，设计压力最高2.0MPa，出厂附完整的强度计算书。