LNG管道在分布不均匀的温度载荷、重力等载荷的作用下会产生变形,管道的变形又会反作用影响管道内部流体的流动。低温载荷和变形等因素同时会影响管道的应力分布,导致管道强度破坏和密封受损等现象,严重危害管道的运行安全。本文以带有法兰的LNG管道为研究对象,建立了简化的物理模型。利用Workbench平台,实现流体动力学软件Fluent与结构力学软件Transient Structual之间的双向数据传递,得到带有法兰的LNG管道在单相流动和两相沸腾流动时,流体的热工水力参数和管道的位移、应力的变化规律,本文主要对LNG管道在预冷过程中发生的热拱现象进行模拟分析。主要的研究内容和结论如下:在低温氮气预冷阶段,LNG管道内的流体在重力和浮升力的作用下分层流动,管道内部流体温度分布不均匀,导致管道顶底换热不一致从而使得顶底温差的产生。采用控制变量法模拟分析了氮气入口温降差值、氮气流速、管道直径等不同参数对顶底温差的影响,进而研究不同顶底温差对管道的位移和应力的影响。分析结果表明,当采用阶梯式降低氮气入口温度时,管道的顶底温差呈‘n’形周期性出现,入口温降差值越大、氮气流速越小,顶底温差越大。氮气入口流速越大,温降速率越大,预冷时间越短。管径越大,顶底温差越大。顶底温差越大,管道的热拱现象越加明显,管道的顶底温差在40k左右时,管道开始向上拱起。温度载荷引起的二次应力是管道发生破坏和密封失效的主要因素,管道在固定端和与法兰连接处应力值较大。垫片上的温度分布和应力分布规律基本一致,内侧大于外侧,顶部大于底部。在实际的预冷过程中为了避免热拱的发生,建议顶底温控制在40k以下,预冷过程中在增加入口温降差值的同时应该增加温降时间间隔,避免管壁与流体的累计温差存在。液氮与LNG管道直接接触处时,管道内为两相流动,并伴随着沸腾相变换热和强制对流换热。不同液面高度时管道内流体流动状态有所不同,入口液面低时,液氮的质量流量较小,沸腾的各个阶段存在的时间极短,当有液氮存在时,与液氮接触的管道温度已经降至液氮沸点以下。入口液面高时,液氮的质量流量大,沸腾各阶段存在时间相对较长,当有液氮存在时,仍处于沸腾阶段,管道温度在沸点以上。因此,入口液面越低,顶底温差越大,管道向上位移越大。与低温氮气预冷阶段相比,虽然顶底温差有所增加,未引起管道的上拱,但管道的收缩变形严重。