天然氣放空管道選材分析

劉 偉　李 朋　張 哲　馬 娜　戴興星　張玉婷

1. 新疆石油勘察設(shè)計(jì)研究院(有限公司)　2. 新疆油田公司采氣一廠

天然氣放空管道選材分析

劉 偉1李 朋1張 哲2馬 娜1戴興星1張玉婷1

1. 新疆石油勘察設(shè)計(jì)研究院(有限公司)2. 新疆油田公司采氣一廠

摘要對高壓天然氣放空管道的選材進(jìn)行了研究。天然氣管道放空時溫度較低，超出了普通碳鋼的使用溫度下限，需按“低溫低應(yīng)力工況”考慮。通過對某天然氣放空管道的操作溫度、操作壓力及應(yīng)力進(jìn)行核算，分析其是否處于“低溫低應(yīng)力工況”。結(jié)果表明，放空管道操作壓力低于1.0 MPa，正常操作時的軸向拉應(yīng)力低于材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20#鋼最小抗拉強(qiáng)度值的10%，管道操作工況處于“低溫低應(yīng)力工況”，管道材質(zhì)可以使用20#鋼。

關(guān)鍵詞放空管道放空溫度低溫低應(yīng)力背壓選材

高壓天然氣放空管道放空時溫度較低，參照GB 50316-2000(2008版)《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》中管材使用溫度下限進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]。目前，大多數(shù)放空管線采用304等耐低溫的不銹鋼管材。但由于放空主管道通常較長，口徑較大，若采用不銹鋼投資較高，故需研究采用碳鋼材質(zhì)替代，以降低工程投資的可能性。對于承受壓力不高、應(yīng)力不大的低溫低壓環(huán)境所使用的管線，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家的壓力管道建造規(guī)范均提出[2]，處于低應(yīng)力水平的鋼材會大大降低其低溫脆斷傾向。因此，各國規(guī)范均以不同形式或不同程度地規(guī)定了對于“低溫低應(yīng)力工況”[3]下的低溫管道，可以提高鋼材的沖擊試驗(yàn)溫度，相當(dāng)于提高了該管道的設(shè)計(jì)溫度，繼而以提高后的材料試驗(yàn)溫度作為設(shè)計(jì)條件對該管道的建造提出要求。也就是說，對于“低溫低應(yīng)力工況”下的低溫管道，可以降低材質(zhì)的允許使用溫度，而不必要增加另外的材質(zhì)試驗(yàn)和制造試驗(yàn)要求。以新疆油田呼圖壁儲氣庫露點(diǎn)控制單元BDV閥放空為例，分別計(jì)算放空管道的溫度、壓力及應(yīng)力工況，分析其是否符合“低溫低應(yīng)力工況”，管道材料能否選用20#鋼等碳鋼材質(zhì)。

1放空管道設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1為新疆油田呼圖壁儲氣庫露點(diǎn)控制單元?dú)庖悍蛛x器和低溫分離器BDV閥放空管網(wǎng)示意圖。AB、BC為放空主管段，CD、BE為放空支管段。A點(diǎn)處連接火炬，火炬高度為95 m；D、E分別為氣液分離器與低溫分離器BDV閥的泄放點(diǎn)，泄放量分別為150×104m3/d和80×104m3/d。各管段參數(shù)見表1。

表1 各管段參數(shù)Table1 Parametersofeachpipesection管網(wǎng)管段ABBCCDBE初定內(nèi)徑×壁厚/mm813×9.5813×9.5168×5219×6管道長度/m290151515

2放空管道模擬計(jì)算

本研究使用HYSYS中Depressuring-Dynamics模塊對BDV閥放空過程進(jìn)行動態(tài)模擬。該模塊可用于模擬壓力容器的安全閥放空、事故工況放空、絕熱工況放空等一系列動態(tài)放空的過程[4-6]。通過控制放空量選擇合適的放空閥，觀察泄放過程中一系列參數(shù)的動態(tài)變化，如：放空閥前后的溫度、壓力、流量、瞬時泄放量、泄放時間等。分離器泄放前的操作參數(shù)見表2。

表2 設(shè)備泄放前參數(shù)Table2 Parametersbeforepressure-relievingofequipment設(shè)備壓力/MPa溫度/℃長度/m內(nèi)徑/m氣液分離器9.4444.4482低溫分離器6.20-15.2952

首先以氣液分離器的BDV閥放空為例，將放空前各參數(shù)輸入Depressuring-Dynamics模塊，動態(tài)放空模擬流程見圖2。

根據(jù)API 521：2007《泄壓和減壓系統(tǒng)指南》，放空時要求在15 min內(nèi)將設(shè)備壓力降至690 kPa以下或50%的設(shè)備設(shè)計(jì)壓力，取其中較低值，本例按降至690 kPa內(nèi)計(jì)算，選擇合適的閥門使氣液分離器壓力在15 min內(nèi)降至690 kPa以下。根據(jù)模擬結(jié)果繪制的氣液分離器泄放曲線如圖3所示。

采用類似方法可得到低溫分離器的泄放曲線，如圖4所示。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果得到放空前后放空閥操作參數(shù)，見表3。

表3 放空前后放空閥操作參數(shù)Table3 Operatingparametersbeforeandafterpressure-relievingofequipment設(shè)備放空閥前壓力/MPa放空閥前溫度/℃放空15min閥前壓力/MPa放空15min閥后溫度/℃氣液分離器9.4444.440.67-32.3低溫分離器6.20-15.290.66-70.7

由表3可知，放空溫度最低可達(dá)-70.7 ℃，若參照GB 50316-2000(2008版)規(guī)定，20#鋼最低使用溫度為-20 ℃[1]，低合金鋼16Mn最低使用溫度為-40 ℃，304或316等不銹鋼的最低使用溫度為-196 ℃，則放空管線需采用不銹鋼材質(zhì)。

3放空管道應(yīng)力核算

天然氣站廠內(nèi)操作壓力一般較高，當(dāng)設(shè)備或管道放空時，氣體壓力急劇降低產(chǎn)生焦耳-湯姆遜膨脹，使氣體的溫度迅速降低。并且放空管道操作壓力一般較低，對于壓力不高、應(yīng)力不大的低溫壓力管線極有可能處于低應(yīng)力水平，處于低應(yīng)力水平的鋼材會大大降低它的低溫脆斷傾向，我國規(guī)定這種工況稱為“低溫低應(yīng)力”工況，以下為“低溫低應(yīng)力”工況的規(guī)范說明。

3.1“低溫低應(yīng)力”工況

GB/T 20801.2-2006《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道》規(guī)定：“低溫低應(yīng)力工況”是指能夠同時滿足以下各項(xiàng)條件的工況[6]：

(1) 低溫情況下的最大工作壓力小于等于常溫下管道最大允許工作壓力的30%。

(2) 管道在壓力、重量和位移作用下產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和小于等于材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度值的10%。

(3) 僅限于GC2管道，且最低設(shè)計(jì)溫度不低于-101 ℃。

并且，管道處于“低溫低應(yīng)力工況”時，管道材質(zhì)不需要做低溫沖擊試驗(yàn)，可以直接使用。

另外，在ASME B31.5-2013《制冷管道與傳熱部件》材料部分也有類似的規(guī)定[7]：在-101~-29 ℃之間的溫度范圍內(nèi)服役的鐵金屬管道，如果在壓力和熱收縮的同時作用下，或者在支承點(diǎn)之間彎曲的影響下所產(chǎn)生的最大環(huán)向或縱向抗拉應(yīng)力不超過材料許用應(yīng)力的35%，則不要求做沖擊試驗(yàn)。

3.2管道應(yīng)力工況

依據(jù)規(guī)范中關(guān)于“低溫低應(yīng)力工況”的規(guī)定，判定此放空管道是否處于“低溫低應(yīng)力工況”。首先計(jì)算管道的最大背壓，即為管道實(shí)際操作壓力。

3.2.1管道操作壓力

根據(jù)SH 3009-2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A推薦公式[8]：

(1)

式中，p1為管道起點(diǎn)絕對壓力，kPa；p2為管道終點(diǎn)絕對壓力，kPa；L為管道的計(jì)算長度，即直管長度與管件、閥件當(dāng)量長度之和，m；γ為氣體密度與空氣密度的比值，20 ℃時，空氣密度為1.205 kg/m3；T為操作條件下的氣體溫度，K；Q為折算為標(biāo)準(zhǔn)條件下的氣體體積流量，m3/h；d為管道內(nèi)徑，cm；μ為水力摩擦系數(shù)。

火炬裝置出口處的絕對壓力為101.3 kPa，從火炬裝置出口處開始，將下游管段的入口壓力作為上游管段的出口壓力，代入式(1)，從下游向上游逐管段進(jìn)行計(jì)算。一直進(jìn)行到泄放裝置處(放空閥)為止，閥后壓力即為放空閥背壓。

表4 各節(jié)點(diǎn)計(jì)算壓力Table4 Calculatedpressureofeachpoint節(jié)點(diǎn)ABCDE計(jì)算壓力p1(表)/MPa0.1100.2430.2460.5990.283

表4為管道各節(jié)點(diǎn)實(shí)際操作壓力，可知CD、BE和AC管段最大操作壓力分別為0.599 MPa、0.283 MPa和0.246 MPa。下面計(jì)算各管段的最大允許工作壓力，并與實(shí)際工作壓力對比，分析是否符合“低溫低應(yīng)力工況”的第一條判定標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2管道最大允許工作壓力

氣液分離器和低溫分離器放空管線以及放空主管的公稱直徑分別為DN150、DN200、DN800，根據(jù)GB 50316-2000(2008版)管道厚度計(jì)算公式[1]：

(2)

te=0.875t0-C1

(3)

式中，py為管道常溫下最大允許工作壓力，MPa；te為管道有效壁厚，mm；S為設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；Φ為管道焊縫系數(shù)，無縫鋼管取1；Do為管道外徑，mm；Y為計(jì)算系數(shù)；to為管道公稱壁厚，mm；C1為腐蝕余量，mm。

據(jù)上述公式，計(jì)算得到放空管道常溫下最大允許使用壓力，結(jié)果見表5。

表5 常溫下管道允許使用壓力Table5 Allowableworkingpressureofventpipelineatnormaltemperature公稱直徑Do/mmto/mmte/mmpy/MPa常溫下最大允許工作壓力的30%/MPa低溫下最大工作壓力/MPaDN1501685.02.8754.751.430.60DN2002196.03.7504.761.430.28DN8008139.56.8134.441.330.25

低溫下最大工作壓力為3.2.1節(jié)計(jì)算所得各放空管道的實(shí)際操作壓力。由表5可知，放空管道在低溫下的最大工作壓力均小于管道在常溫下最大允許工作壓力的30%，滿足“低溫低應(yīng)力工況”的第一條判定標(biāo)準(zhǔn)。下面進(jìn)行管道軸向拉應(yīng)力的計(jì)算，分析是否符合“低溫低應(yīng)力工況”的第二條判定標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.3管道內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力

根據(jù)《壓力管道應(yīng)力分析》[10]，管道內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力為：

(4)

(5)

式中，p為管道內(nèi)壓，MPa；te為管道有效壁厚，mm；σL為軸向拉應(yīng)力，MPa；Dav為管道平均直徑，mm；Di為管道內(nèi)徑，mm；Do為管道外徑，mm。

放空管道內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 管道內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力Table6 Axialtensilestressesproducedbyinternalpressureofpipeline管道公稱直徑Di/mmDav/mmσL/MPaDN150162.25165.134.31DN200211.50215.254.31DN800799.37806.198.87

3.2.4管道重量產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力

根據(jù)《壓力管道應(yīng)力分析》[10]，管道內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力為：

(6)

(7)

式中，q為每米管道總體所受重力，N/m；σL為軸向拉應(yīng)力，MPa；L為管道跨距，m；W為管道抗彎截面模量，mm3；Di為管道內(nèi)徑，mm；Do為管道外徑，mm。

管道跨度取6 m，管道自重和充水重量產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 管道質(zhì)量產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力Table7 Axialtensilestressescausedbypipemass管道公稱直徑Do/mmDi/mmσL/MPaDN150168162.257.72DN200219211.505.92DN800813799.371.77

3.2.5管道總軸向拉應(yīng)力

管道總的軸向拉應(yīng)力為管道內(nèi)壓產(chǎn)生和重量產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力之和，見表8。

表8 管道軸向拉應(yīng)力Table8 Axialtensilestressesofeachpipeline管道公稱直徑內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力/MPa管道重量產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力/MPa總軸向拉應(yīng)力/MPa20#鋼最小抗拉強(qiáng)度的10%/MPaDN1504.317.7212.0341DN2004.315.9210.2341DN8008.871.7710.6441

GB/T 20801.2-2006《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道》規(guī)定20#鋼最小抗拉強(qiáng)度值為410 MPa[7]，放空過程中管道軸向拉應(yīng)力總和小于41 MPa(材料最小抗拉強(qiáng)度的10%)，滿足“低溫低應(yīng)力工況”的第二條判定標(biāo)準(zhǔn)。

3.3管道等級劃分

此放空管道最大工作壓力為0.599 MPa，根據(jù)TSG-D0001-2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程-工業(yè)管道》中關(guān)于工業(yè)管道的等級劃分可知[11]，此管道屬于GC2管道，且其最低設(shè)計(jì)溫度不低于-101 ℃，滿足“低溫低應(yīng)力工況”的第三條判定標(biāo)準(zhǔn)。

由以上分析可知，此放空管道屬于“低溫低應(yīng)力工況”，通過合理的配管，放空主管和支管均可采用使用溫度下限為-20 ℃的20#鋼等碳鋼。

4結(jié) 語

高壓天然氣放空管道溫度很低，以往大多數(shù)放空管道采用高合金不銹鋼作為管道材質(zhì)。而處于低溫條件下的放空管道，不能簡單地按照低溫工況進(jìn)行選材處理，還應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，分析是否符合“低溫低應(yīng)力工況”，從而判斷是否可采用碳鋼，為選材提供依據(jù)，在滿足安全的前提下大大提高了工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。

參 考 文 獻(xiàn)

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Analysis on material selection of natural gas vent pipeline

Liu Wei1, Li Peng1, Zhang Zhe2, Ma Na1, Dai Xingxing1, Zhang Yuting1

(1.ChinaPetroleumEngineering(Xinjiang)Co.,Ltd，Karamay834000,China)

(2.XinjiangOilfieldCompanyNo.1GasProductionPlant，Karamay831200，China)

Abstract:The material selection of high-pressure natural gas vent pipeline was studied. The operating temperature of natural gas vent pipe is low, which exceeds the avowable lower limit temperature of ordinary carbon steel. In this case，low temperature and stress conditions should be considered. By calculating the operation temperature, operation pressure and stress of a natural gas vent pipe，whether it is in the condition of low temperature and low stress is analyzed. The results show that when the vent pipe operating pressure is below 1.0 MPa for normal operation, the axial tensile stress is below 10% of the minimum tensile strength value of steel 20#. Pipeline operation condition is “l(fā)ow temperature and stress condition”. Therefore, 20#steel can be used as natural gas vent pipe.

Key words:vent pipeline, vent temperature, low temperature, low stress, back pressure, material selection

收稿日期：2014-08-12；編輯：鐘國利

中圖分類號：TE973

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2015.02.025

作者簡介：劉偉(1986-)，男，助理工程師，主要從事天然氣集輸與處理方面的工作。E-mail:upclw@foxmail.com