降低大跨度大尺寸低溫管道位移的多次補償柔性設計

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(中海油能源發(fā)展股份有限公司 天津人力資源服務分公司， 天津 300457)

近年來，國內(nèi)對天然氣的需求量增加快速，與此同時，液化天然氣(LNG)項目建設也發(fā)展迅速[1-5]。天津LNG項目碼頭由LNG船碼頭和浮式存儲氣化船(FSRU)碼頭組成。一期浮式階段，?？吭贚NG船碼頭的LNG運輸船通過定期向FSRU卸料來保障連續(xù)供氣。2個碼頭之間卸料管道/液化天然氣蒸發(fā)氣(BOG)返氣管道長度大約為800 m，卸料管道直徑為1 066.8 mm(42″)、返氣管道直徑為711.2 mm(28″)，管道材料均為304/304L。當兩船卸料的間隔時間比較長時，需要處理卸料管道中的LNG，否則卸料管道中就會多次出現(xiàn)降溫、升溫的過程。

管道柔性設計對管道布置有非常大的影響[6-8]，設計階段就必須充分考慮多次溫度變化對管道帶來的影響，因此，從配管開始就應對管道柔性狀況進行綜合分析，防止在試車、運行過程中出現(xiàn)管道塑性位移、管道破裂等風險。文中以大跨度、大尺寸卸料管道和返氣管道為重點，分析整個低溫管道的柔性設計情況。

1 管道柔性設計要求

1.1 管線柔性設計整體要求

管道柔性是指卸料管道通過自身的形變吸收應力，即滿足從2個碼頭LNG臂到返氣臂管口之間的力矩要求，同時滿足管道設計的穩(wěn)定性、安全性以及工藝溫降、升壓的基本要求。

在布置直徑為1 066.8mm(42″)、711.2 mm(28″)這樣大尺寸的管道時，首先應當通過幾何形狀的合理布置使管道具有足夠的柔性，防止在預冷等過程中管道因發(fā)生冷縮和位移受約束而產(chǎn)生過大應力，導致產(chǎn)生管道疲勞、管支架損壞、接頭處發(fā)生泄漏等問題[9-10]。

在卸料過程中管道產(chǎn)生的內(nèi)壓和持續(xù)外載荷作用下產(chǎn)生的一次應力[11-12]，應該不大于管道材料304/304L的許用應力。持續(xù)外載荷是指管道自重(包括LNG介質(zhì)的重量、管道保冷材料的重量)、風載荷和雪載荷等。選擇管道支架時，這些外載荷均必須考慮。

管道在預冷、升溫和位移受約束時產(chǎn)生的二次應力，應不大于管道材料304/304L的熱膨脹許用應力。應確保管道一次和二次應力滿足ASME B31.3—2016《工藝管道》[13]規(guī)范要求，確保在操作基準(OBE)工況下的管道偶然應力滿足ASME B31.3規(guī)范要求，確保在安全停運(SSE)工況下管道的偶然應力不超過其屈服強度。

1.2 管道支架基本設置原則

天津LNG項目中的管支架主要分為固定支架、滑動支架和彈簧支架3大類[14-19]。固定支架在豎向、縱向(沿管道軸向)及橫向(管道徑向)均限制管道的位移，其所受的縱向水平力由區(qū)段內(nèi)活動支架對管道的作用力、伸縮反力和管道的不平衡內(nèi)壓力構(gòu)成?；顒又Ъ苤皇窃诠艿镭Q向、橫向限制管道移動，縱向移動是允許的。

卸料管道和BOG管道比較長，需要合理設置固定支架和滑動支架，以便對管系整體應力進行分配。輸送LNG時，在LNG介質(zhì)和大氣變化等載荷的作用下，長距離、大跨度卸料管道產(chǎn)生的位移比小尺寸管道產(chǎn)生的位移更為嚴重，產(chǎn)生的危害性也更大。采取每隔一段距離設置1個固定點(固定管支架)，在2個固定點之間采用補償措施的方法來降低管道位移，這樣卸料管道和BOG返氣管道就被分成了若干區(qū)段，每個區(qū)段支架的熱脹冷縮量由這一區(qū)段的補償措施吸收，活動支架所受的力也通過該區(qū)段管道傳遞給固定支架，使整個系統(tǒng)獲得更高的穩(wěn)定性和安全性。

2 管道膨脹彎柔性設計

膨脹彎柔性設計是降低管道應力和位移的有效辦法，是管道柔性設計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。管道中彎管的內(nèi)力和變形通常與其形狀有關(guān)，膨脹彎的設置選擇了Z型、π型、L型、S型等形式。

2.1 卸料管道膨脹彎選擇

卸料管道經(jīng)過碼頭后就進入棧橋，棧橋上的管道較長，所以在管道經(jīng)碼頭下棧橋位置設置了固定點，以保障碼頭上的卸料管道不受棧橋管道冷縮位移的影響。

碼頭下棧橋管支架設置情況見圖1。該固定點處的管道和支架之間不允許產(chǎn)生相對位移，支架承受區(qū)段間產(chǎn)生的全部縱向水平推力。通過該固定點可以實現(xiàn)碼頭和陸域部分的管道分段。

圖1中標出了碼頭卸料管道的節(jié)點編號，碼頭固定點編號為85，在該處設置固定管支架。LNG碼頭到浮式碼頭段的管道距離較長，需合理設置固定點，以防管道位移過大拉壞管道。

根據(jù)本項目的管道布置，為了有效控制管道的冷縮位移，增加管道的穩(wěn)定性，分別對采用L型、Z型和π型膨脹彎補償?shù)姆桨高M行應力分析。其中L型和Z型是利用了管道走向進行的自然補償，對東西向超過260 m的管道則設置了π型膨脹彎。由于整個卸料管道尺寸比較大(1 066.8 mm)，使用溫度為-165～45 ℃，溫差也較大，因此，需要綜合應用L型、Z型和π型膨脹彎才能有效控制管道的冷縮位移，增加管道的穩(wěn)定性。

卸料管道不同形式補償措施見圖2～圖4。圖2中，從碼頭到卸料管道的2個固定點形成L型補償。

圖3中，卸料管道部分的2個固定點形成Z型補償。

圖4中，在卸料管道中間部分的3個固定點形成2個π型補償。

圖1 碼頭下棧橋處管支架設置

圖2 卸料管道L型補償措施

圖3 卸料管道Z型補償措施

圖4 卸料管道π型補償措施

2.2 BOG返氣管道膨脹彎選擇

通常BOG返氣管道和卸料管道是平行布置的，而且工作溫度范圍相似，因此BOG返氣管道的補償處理方法與LNG卸料管道的類似，采取L型、Z型和π型補償彎進行多次補償，得到的補償方案見圖5。

圖5 BOG返氣管道補償措施

2.3 其他補償措施

卸料管道及BOG管道尺寸較大，所以冷縮位移較大，離固定點越遠，管道位移也會越大。為此，設計時作了以下考慮：①因膨脹彎兩邊位移較大，故膨脹彎臂長可以考慮適當加長。②膨脹彎附近及其他位移較大處的保冷管支架要足夠長，以防止管支架滑落到結(jié)構(gòu)梁下后無法回位而拉壞管道。③膨脹彎及位移較大處的管道間距要足夠，防止管道之間的碰撞。④主管位移較大處如有支管接出，則設置支管時應考慮柔性設置，以防止三通處因應力集中而被拉壞。

采用CAESERⅡ軟件計算得到的卸料管道較大位移點理論分析結(jié)果見圖6。從圖6中可以看出，大位移點基本出現(xiàn)在L型結(jié)構(gòu)、Z型結(jié)構(gòu)以及π型結(jié)構(gòu)處，通過采取多次補償措施極大地降低了管道的位移風險。在計算結(jié)果中，卸料管道最大的橫向位移為160 mm，最大的縱向位移為128 mm。

圖6 卸料管道產(chǎn)生較大位移點理論分析結(jié)果

3 管道柔性設計實施效果

2013-11-09，天津LNG項目開始接收站預冷工作，2013-11-11完成首次預冷。預冷過程中檢查各連接部位，對法蘭連接處進行冷緊。整個預冷過程中降溫速度控制在30 ℃/h以內(nèi)，卸料管道上下部溫差控制在50 ℃以內(nèi)。

2013-11-09～11-11預冷過程卸料管道x、y、z方向位移實測值見表1。從表1可以看出，整個預冷過程中卸料管道位移小于100 mm。

表1 預冷過程卸料管道當日最大位移實測值 mm

4 結(jié)語

在天津LNG項目管道柔性設計中充分發(fā)揮了管道支架的作用，將大尺寸、大跨度管道分成了幾個大的區(qū)域，盡量減少支架對管道的約束，可使整個管道系統(tǒng)盡可能地自由變形，從而降低二次應力/熱推力。

充分考慮卸料管道大跨度的實際情況，采用固定管支架分段，利用L型、Z型、π型膨脹彎進行多次補償，有效消除了預冷等工況產(chǎn)生的應力，使預冷過程中卸料管道位移小于100 mm。

管道柔性設計是控制管道位移的基礎，實際操作中嚴格監(jiān)控開、試車及運行階段的操作參數(shù)是維護管道安全運行的核心。

參考文獻：

[1] 蘆德龍，張尚文，文曉龍.液化天然氣浸沉燃燒式氣化器工藝計算[J].石油化工設備，2017，46(4)：17-22.

LU D L，ZHANG S W，WEN X L. Process calculation of liquefied natural gas subermerged combustion vaporizer[J].Petro-chemical equipment，2017，46(4)：17-22.

[2] 任金平，劉福錄，任永平，等.調(diào)峰型城市液化天然氣儲配站技術(shù)與應用[J].石油化工設備，2014，43(4)：72-75.

REN J P，LIU F L，REN Y P，et al. Technology and application of city liquefied natural gas peak-shaving stored and distributed station[J]. Petro-chemical equipment，2014，43(4)：72-75.

[3] 翟德宏，楊正棟.改進LNG儲罐倒裝法施工中液壓頂升高度不足的工藝措施[J].石油化工設備，2016，45(4)：76-80.

ZHAI D H，YANG Z D. Design process measures to improve the hydraulic lifting device for lifting height of the liquefied natural gas storage tank upsidedown construction method[J]. Petro-chemical equipment，2016，45(4)：76-80.

[4] 黃宇，宋坤，陳海平.液化天然氣低溫閥門國產(chǎn)現(xiàn)狀及工程化應用分析[J].石油化工設備，2015，44(2)：89-94.

HUANG Y，SONG K，CHEN H P. Analysis of engineering application and status quo for liquefied natural gas cryogenic valves in China[J]. Petro-chemical equipment，2015，44(2)：89-94.

[5] 劉佳，陳叔平，劉福錄，等.大型液化天然氣儲罐拱頂應力分析[J].石油化工設備，2013，42(5)：19-23.

LIU J，CHEN S P，LIU F L，et al. Stress analysis of vault of large-scale liquefied natural gas storage tank[J]. Petro-chemical equipment，2013，42(5)：19-23.

[6] 杜晟杰.蒸汽管道柔性設計方法[J].當代化工，2016，45(4)：850-852.

DU S J. The method of flexible design of steam pipeline[J].Contemporary chemical industry，2016，45(4)：850-852.

[7] 許靖宇，邵國亮，康惠珊，等.清管站進出站管道應力分析與設計優(yōu)化—以中亞天然氣管道為例[J].油氣儲運，2016，35(9)：999-1004.

XU J Y，SHAO G L，KANG H S,et al. Stress analysis and design optimization for inlet/outlet lines in pigging stations：A case study of trans-Asia gas pipeline[J].Oil & gas storage and transportation，2016，35(9)：999-1004.

[8] 陸陽.加氫裝置反應器安全閥管線的應力分析[J].管道技術(shù)與裝備，2017(5)：48-56.

LU Y. Stress analysis for safety valve pipeline of hydrogenation reactor[J].Pipeline technique and equipment，2017(5)：48-56.

[9] 于詠梅.壓力管道柔性設計及金屬波紋管膨脹節(jié)的選用[J].化工設計通訊，2008，34(4)：41-44.

YU Y M. Pressure pipeline design and flexible metal bellows expansion joints selection[J].Chemical engineering design communications，2008，34(4)：41-44.

[10] 陳小莉.裝置內(nèi)管道柔性設計的要點[J].石油化工設計，1999，16(3)：28-31.

CHEN X L. Main points on design of plant pipes’flexibility[J].China petrochemical design，1999，16(3)：28-31.

[11] 齊學峰.熱力管道設計與應用[J].橡塑技術(shù)與裝備，2003，29(13)：46-48.

QI X F. Thermal pipe line design and application[J].China rubber/plastic technology equipment，2003，29(13)：46-48.

[12] 盛水平，梁琳.金屬波紋膨脹節(jié)質(zhì)量控制[J].管道技術(shù)與裝備，2009(5)：33-37.

SHENG S P，LIANG L. Quality control of metal bellows expansion joints[J].Pipeline technique and equipment，2009(5)：33-37.

[13] 工藝管道：ASME B31.3—2016[S].

Process piping：ASME B31.3—2016[S].

[14] 潘東平.剛性和柔性獨立式活動管架的設計探討[J].石油工程建設，2009，35(5)：13-16.

PAN D P. Design of rigid and flexible independent sliding pipe racks[J]. Petroleum engineering construction，2009，35(5)：13-16.

[15] 康朝陽，李立人.火力發(fā)電廠汽水管道支吊架的檢查和調(diào)整[J].發(fā)電設備，2016，30(5)：357-359.

KANG C Y，LI L R. State inspection and adjustment of steam & water piping supports and hangers in a thermal power plant[J].Power equipment，2016，30(5)：357-359.

[16] 李玉國，郝偉.化工現(xiàn)場管道支吊架常見問題[J].化工設計，2016，26(2)：34-37.

LI Y G，HAO W. Common problems of piping supports and hangers at chemical plant site[J].Chemical engineering design，2016，26(2)：34-37.

[17] 劉維紅，于國強，王振根.發(fā)電廠管道支吊架的檢查與調(diào)整[J].電力建設，2005(12)：31-33.

LIU W H，YU G Q，WANG Z G. Examination and adjustment on pipe supports and hangers in power plant[J].Electric power construction，2005(12)：31-33.

[18] 張連華.化工管道支吊架的設計與研究[J].機械設計與制造工程，2017(9)：73-75.

ZHANG L H.The design of typical petrochemical pipe support and hanger[J]. Machine design and manufacturing engineering，2017(9)：73-75.

[19] 安慧，安付立，韓光輝，等.發(fā)電機組管道支吊架常見問題分析及處理[J].熱力發(fā)電，2012(11):80-82,73.

AN H，AN F L，HAN G H，et al. Common problems and case study for pipe supports and hangers in power generating units[J]. Thermal power generation，2012(11)：80-82，73.