原油儲(chǔ)罐進(jìn)出口管線位移情況分析

楊曉冬

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300457）

在經(jīng)濟(jì)和科技飛速發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)，石油作為重要的能源，其儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)陌踩允且粋€(gè)必須保證的問題。原油儲(chǔ)罐作為儲(chǔ)存原油的重要設(shè)施其相連接的管線在設(shè)計(jì)時(shí)要把管線柔性作為配管設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要指標(biāo)進(jìn)行考慮，以保證管道自身和與其相連的機(jī)器、設(shè)備的安全。如果在設(shè)計(jì)過程中沒有考慮全部的工況或者實(shí)際工況發(fā)生了變化就可能造成管線局部應(yīng)力及位移過大。某原油處理廠就發(fā)生了類似的情況。

1 原油儲(chǔ)罐進(jìn)出口管線位移情況

1.1 現(xiàn)場(chǎng)情況

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研測(cè)量后發(fā)現(xiàn)有如下問題：（1）兩個(gè)儲(chǔ)罐的進(jìn)出口管線位移較大，局部達(dá)到了400mm，進(jìn)出口相連的軟管變形超出了設(shè)計(jì)值180mm；（2）由于管線位移，大部分滑動(dòng)管托已從水泥支墩上脫落，管道直接作用在支墩上（圖1）；（3）部分管道支架傾斜，支撐失效（圖2）；（4）管道發(fā)生變形，管道間距不一致，管道與涵洞沒有間隙，存在應(yīng)力集中（圖3）。

圖1

圖2

圖3

1.2 原因分析

經(jīng)查閱資料，原始設(shè)計(jì)的這兩個(gè)儲(chǔ)罐的管線為埋地設(shè)計(jì)，幾年前檢查中發(fā)現(xiàn)由于埋地管道下沉，在防火堤內(nèi)地上管段入地點(diǎn)處管線支墩上的管靴已將原管線頂彎曲變形，管線出現(xiàn)了變形和局部泄露，地上管線已出現(xiàn)了西高東低的變形趨勢(shì)。施工單位針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況，進(jìn)行了改造。改造后仍采用了初始埋地設(shè)計(jì)時(shí)的管道路徑，并且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置了一些滑動(dòng)支架，沒有進(jìn)行管道應(yīng)力分析。

此次儲(chǔ)罐管線出現(xiàn)位移現(xiàn)象后設(shè)計(jì)和施工單位進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研。調(diào)研隊(duì)伍經(jīng)過仔細(xì)勘察及分析后，總結(jié)了管線出現(xiàn)位移的原因，具體有：

（1）兩個(gè)儲(chǔ)罐管線操作溫度為65 ～80 ℃，管徑為28”，操作溫度與安裝溫度相差45 ～60℃。在操作工況下，管道因溫度變化產(chǎn)生熱位移，現(xiàn)場(chǎng)管線布置缺乏足夠柔性，不能有效的吸收位移。根據(jù)規(guī)范GB/T 20801，在80℃時(shí)，管道總膨脹量為0.67mm/m，最長管道（B/D 罐進(jìn)出口）約為156m，按照中間位置增加止推支架，則管道熱位移約為0.67×156/2=52.26mm（利用CAESAR II 軟件模擬的結(jié)果與手動(dòng)計(jì)算結(jié)果大體相當(dāng)）。故可判斷熱位移不是導(dǎo)致儲(chǔ)罐管線支架滑脫的唯一原因。

（2）偶然載荷的作用，主要是水擊力。水擊力的產(chǎn)生，主要是由于原油具有黏性和可壓縮性，在輸送過程中，一旦其穩(wěn)定狀態(tài)受到破壞，流速和壓力發(fā)生急劇變化所導(dǎo)致。這種變化的誘因有多種，包括：①由于外輸工況是間歇的，正常外輸時(shí)未能充分排氣，介質(zhì)特性出現(xiàn)微小變化，原油中混入了氣體，使得流速出現(xiàn)分化，進(jìn)而導(dǎo)致壓力升高，產(chǎn)生水擊力（嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致泵的氣蝕）。②上一次的外輸停止后，還有介質(zhì)滯留在管道內(nèi)，由于黏度較高，管道內(nèi)部會(huì)存在一定的局部阻礙，比如拐彎處、閥門處等。下一次外輸時(shí)，局部阻礙會(huì)使得外輸開始時(shí)介質(zhì)流通不暢，后期隨著壓力、溫度的增加會(huì)有一定的緩解或消失，也會(huì)使流速、流量短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生變化，形成水擊力外載。③外輸停止時(shí)，泵和閥門會(huì)相繼關(guān)閉，由于關(guān)閉速度過快，導(dǎo)致管道中某一截面的原油流速在極短的時(shí)間內(nèi)突然降低為零，由于慣性作用，前面的介質(zhì)仍然繼續(xù)流動(dòng)，使得介質(zhì)被壓縮，轉(zhuǎn)化為水擊力外載。④此外，儲(chǔ)罐的出口接有金屬軟管，由于金屬軟管的剛度較低，使得系統(tǒng)局部出現(xiàn)了剛度不連續(xù)現(xiàn)象，剛度不連續(xù)會(huì)導(dǎo)致盲板力的出現(xiàn)，一般需要加止推支架，抵擋盲板力。而金屬軟管內(nèi)層為波紋管，外層為金屬編織層，外層可以抵擋軸向盲板力，但是畢竟剛度較小，如果管道走向改變后沒有導(dǎo)向和止推支架，則無法控制軸向和橫向變形量。盲板力也會(huì)在一定程度上對(duì)介質(zhì)產(chǎn)生推力，使得流速出現(xiàn)局部變化。綜上所述，泵的啟停、外輸時(shí)未能充分排氣、閥門關(guān)閉速度過快、以及盲板力，均為產(chǎn)生水擊力的原因。在長直管道未設(shè)置止推支架以及足夠數(shù)量和強(qiáng)度的導(dǎo)向支架以抵抗水擊力的情況下（管道本征頻率極低，不到1Hz），會(huì)使得管道短時(shí)間內(nèi)迅速連續(xù)發(fā)生位移，最終累積為大位移，滑動(dòng)支架滑脫。而從管道應(yīng)力分析的角度，不管以上哪種原因（或一個(gè)以上的原因），分析方法和解決的方案是一致的，即在工況中加載水擊力，分析管道應(yīng)力、支架荷載，甚至局部應(yīng)力是否滿足要求。

（3）支架設(shè)置不合理。現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)這些管線采用的大部分是滑動(dòng)支架，小部分為導(dǎo)向加滑動(dòng)支架，沒有設(shè)置止推支架，管道產(chǎn)生的熱位移沒有得到約束。另一方面，是支架具體形式選用不合理。如圖2 所示，該支架的受到熱位移影響達(dá)到側(cè)翻臨界位置的時(shí)候，沒有有效的防止側(cè)翻的限制，使得側(cè)翻形成一個(gè)更大的推力，進(jìn)而加劇了相連管道位移，致使大部分管道的管鞋都脫離水泥支墩。

2 應(yīng)力分析及改造方案

首先需要進(jìn)行詳細(xì)的管道應(yīng)力計(jì)算，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化管道布置。此次管道應(yīng)力計(jì)算選用CAESARII 應(yīng)力分析軟件。CAESARII 是一個(gè)完整的管道應(yīng)力分析程序，它將管線應(yīng)力、柔性分析的計(jì)算、評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置在軟件中，其建立方程、求解方程的過程完全是由電子計(jì)算機(jī)來完成的，具有數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單，圖形生成和計(jì)算結(jié)果直接明了的特點(diǎn)。目前國內(nèi)外的大多數(shù)設(shè)計(jì)院或工程公司都在采用CAESARII 進(jìn)行管道的應(yīng)力分析。

對(duì)于管道所采用的設(shè)計(jì)規(guī)范，如ASME 體系（許用應(yīng)力法），已經(jīng)考慮了3 倍的安全系數(shù)，力的具體大小在規(guī)范中沒有說明和限制，一般需要在設(shè)計(jì)時(shí)保守考慮。管道的壁厚較薄，D/t 已經(jīng)超過了100，再考慮到流體產(chǎn)生的偶然荷載的作用會(huì)存在使管道局部產(chǎn)生永久變形的風(fēng)險(xiǎn)，因此，計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量調(diào)整模型，使得管線止推處的受力處于一個(gè)比較低的范圍內(nèi)。經(jīng)過計(jì)算，若無膨脹彎緩解熱位移，則將止推支架處的推力將較大。A 罐進(jìn)出口：94178N/83517N，B 罐進(jìn)出口：136606N/141075N。增加膨脹彎后，部分熱位移被吸收，會(huì)大大緩解止推支架處的推力。經(jīng)過計(jì)算，支架推力如下。A 罐進(jìn)出口：25506N/25334N，B 罐進(jìn)出口：27970N/26097N。由以上可知，增加膨脹彎后，止推支架受力大大緩解。用ANSYS 模擬分析支架推力反作用于管線上的結(jié)果，當(dāng)止推力為60000N 時(shí)，計(jì)算得到的管線應(yīng)力值約等于管線的許用值137MPa；止推力超過60000N 時(shí)，管線和管鞋焊接處的應(yīng)力值將超出許用值，局部不符合規(guī)范。

解決方案如下：（1）在長直管道適當(dāng)?shù)奈恢?，增加膨脹彎，以緩解熱膨脹帶來的位移及荷載，降低止推支架承受的推力。（2）在適當(dāng)?shù)奈恢?，增加止推支架，以抵抗水擊力。?）設(shè)置一定數(shù)量的導(dǎo)向支架，提高管道本征頻率（提高至2.55Hz 以上），以降低局部失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。（4）根據(jù)介質(zhì)流速、密度、管道尺寸、壁厚等參數(shù)，初步計(jì)算作用于彎頭處的外載，并考慮1.5 ～2 倍的動(dòng)態(tài)系數(shù)，加載到CAESAR II 模型中，作為OCC 工況的F 進(jìn)行分析，校核管道系統(tǒng)應(yīng)力和支架荷載情況。（5）將計(jì)算結(jié)果綜合分析，得到每個(gè)支架的荷載，并反饋給專業(yè)工程師進(jìn)行反校核和支架設(shè)計(jì)。

除了上述解決方案還有如下建議：（1）建議外輸前盡量充分排氣，盡可能降低混入氣體的風(fēng)險(xiǎn)。（2）適當(dāng)降低閥門關(guān)閉速度。

3 結(jié)語

通過上面分析可見，儲(chǔ)罐及其附屬設(shè)施的布置設(shè)計(jì)是一個(gè)需要各專業(yè)整體綜合考慮的問題，管線的應(yīng)力分析需要引起大家的重視。