天然氣管道工程冷凝液收集器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析

趙振興　趙樹炳　彭常飛　李凱楠

（中國石油天然氣管道工程有限公司）

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天然氣管道工程冷凝液收集器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析

趙振興*趙樹炳彭常飛李凱楠

（中國石油天然氣管道工程有限公司）

摘要冷凝液收集器的設(shè)計(jì)研發(fā)屬國內(nèi)首次。對于冷凝液收集器，采取分開設(shè)計(jì)、現(xiàn)場組裝的方式，可以確保質(zhì)量、縮短工期、降低運(yùn)輸難度和制造成本。通過對接管補(bǔ)強(qiáng)、吹掃管線、裝車管線和集液槽等結(jié)構(gòu)的分析，提出了厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)、外部吹掃管線以及裝車管線與集液槽相連通的設(shè)計(jì)方案，滿足了設(shè)計(jì)工況和工藝要求。通過對冷凝液收集器進(jìn)行有限元分析，確保了設(shè)計(jì)的安全可靠性。

關(guān)鍵詞冷凝液收集器接管補(bǔ)強(qiáng)吹掃管線集液槽有限元

*趙振興，男，1980年生，碩士，工程師。廊坊市，065000。

0　前言

中亞天然氣管道橫跨土庫曼斯坦、烏茲別克斯坦、哈薩克斯坦和中國四個(gè)國家，是國家戰(zhàn)略能源通道建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目之一[1-2]。為了達(dá)到天然氣管道項(xiàng)目氣質(zhì)凈化的目的，需要在清管區(qū)設(shè)清管污物收集裝置。國內(nèi)對輸氣管道冷凝液的收集沒有具體規(guī)范可循，通常的做法是設(shè)置排污池或排污罐。目前，采用排污罐的情況較多。以西氣東輸二線為例，排污罐容量一般不超過20 m3，設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa，安裝方式為地上或埋地安裝。所采用的排污罐結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的臥式圓柱形筒體加封頭型式，筒體由鋼板卷制，直徑較大。排污罐一般設(shè)有人孔、排污進(jìn)口、安全泄放口和裝車口，以及液位計(jì)、壓力表等儀表接口，占地面積較小，安全性較高。排污罐通常由專業(yè)廠制造，質(zhì)量能夠得到保障[3-4]。

按照前蘇聯(lián)規(guī)范ОНТП 51-1-85的規(guī)定，清管站應(yīng)設(shè)置由輸氣Ⅰ級(jí)管道鋼管制造的地下收集管來收集清管污物[5]。中亞天然氣清管站將這種清管污物地下收集管稱作冷凝液收集器。該冷凝液收集器的主管采用干線鋼管以及一些彎頭、管帽和異徑接頭等管件焊接而成，根據(jù)容積大小制成U形或多個(gè)U形相連通的形狀。設(shè)計(jì)壓力與干線管道相同，壓力較高，中亞A/B線管道設(shè)計(jì)的冷凝液收集器容積均不低于50 m3。冷凝液收集器上設(shè)有清管污物進(jìn)口、吹掃口、集液槽、裝車管線，以及液位計(jì)、壓力表等儀表接口[3]。

與國內(nèi)的其他排污罐相比，冷凝液收集器的主管采用現(xiàn)場干線Ⅰ級(jí)鋼管，管件和接管在國內(nèi)進(jìn)行加工制造，最后運(yùn)到現(xiàn)場組焊試驗(yàn)。這樣可在保證冷凝液收集器質(zhì)量的同時(shí)，縮短報(bào)關(guān)時(shí)間，降低裝箱發(fā)運(yùn)難度，大幅降低運(yùn)輸費(fèi)用和施工難度，施工也方便，縮短了制造周期，節(jié)省了材料和加工成本。該冷凝液收集器操作簡單，運(yùn)行方便，能有效排凈氣體和污物，并能確保管道安全可靠的運(yùn)行。

1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1工作原理

冷凝液收集器系統(tǒng)由冷凝液收集管區(qū)、放空區(qū)、減壓區(qū)、冷凝液卸載區(qū)等組成，具備放空、液體裝車、減壓吹掃裝置、管底清理、取樣和液位顯示等功能[4]。在進(jìn)行清管作業(yè)時(shí)，管道中的冷凝液和雜質(zhì)等被排入冷凝液收集系統(tǒng)中，氣體通過越站管線進(jìn)行回收，達(dá)到了氣質(zhì)凈化的目的。清管離線作業(yè)時(shí)，當(dāng)冷凝液收集器內(nèi)污物及冷凝液充滿，液位發(fā)生報(bào)警時(shí)，通過間歇式的減壓吹掃和攪拌，將冷凝液收集器中的污物通過吹掃管線吹出，并裝車運(yùn)走。系統(tǒng)工作原理見圖1。

圖1　冷凝液收集器系統(tǒng)工作原理

1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

冷凝液收集器由吹掃管線、裝車管線、進(jìn)液口接管、出氣口接管、液位計(jì)接管、壓力表接管、壓力變送器接管以及干線鋼管、大口徑管件和其他小管件等組成，總體呈U形對稱結(jié)構(gòu)，如圖2所示。為保證介質(zhì)能順利流至出口管線入口，設(shè)備安裝整體坡度為5‰。為減少凍土對設(shè)備的影響，設(shè)備右側(cè)筒體上表面埋深為凍土層以下。

主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要滿足ASME B31.8《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》[6]和ASME BPV規(guī)范第八卷第一分篇[7]的要求。考慮到冷凝液收集器設(shè)備尺寸較大，運(yùn)輸和裝卸困難，因此在滿足設(shè)計(jì)質(zhì)量的前提下，采取了分開設(shè)計(jì)、現(xiàn)場組裝的方式，即設(shè)備接管和管件在國內(nèi)設(shè)計(jì)制造，主管采用現(xiàn)場干線鋼管，接管和管件發(fā)到現(xiàn)場進(jìn)行組裝。這樣可大大降低運(yùn)輸難度，降低施工成本，確保設(shè)計(jì)質(zhì)量。

圖2　冷凝液收集器結(jié)構(gòu)

1.3主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

冷凝液收集器的設(shè)計(jì)壓力等于干線管道壓力9.81 MPa，主管開孔接管補(bǔ)強(qiáng)采取厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)。這種補(bǔ)強(qiáng)方式可有效降低應(yīng)力集中，補(bǔ)強(qiáng)安裝效果較好，焊接質(zhì)量容易檢驗(yàn)[8]。

1.3.2吹掃管線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

清管作業(yè)結(jié)束后，管道中的冷凝液和雜質(zhì)需要通過吹掃管線進(jìn)行減壓吹掃和攪拌，以便于冷凝液的匯集和順利地裝車運(yùn)走，因此吹掃管線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本設(shè)備設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)之一。吹掃管線結(jié)構(gòu)方案如圖3所示。

主管上等間距開設(shè)兩排輻射吹掃管，每排9根共18根，管子規(guī)格?60.3×4.8（API 5L標(biāo)準(zhǔn)），每根管子設(shè)截止閥。這樣的吹掃管線結(jié)構(gòu)方案可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的分段控制減壓吹掃，吹掃效果好。多排輻射吹掃管結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3　吹掃管線結(jié)構(gòu)方案

圖4　多排輻射吹掃管結(jié)構(gòu)

1.3.3裝車管線和集液槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

裝車管線和集液槽的設(shè)計(jì)目的是為了便于冷凝液的匯集和裝車運(yùn)走。裝車管線和集液槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本設(shè)備難度最高的一個(gè)環(huán)節(jié)。由于裝車管線處集液槽開孔較大，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮大開孔問題，還要考慮開孔處局部受力的影響。此外，結(jié)構(gòu)上還要保證冷凝液收集器中的冷凝液能夠全部排出。

裝車管線結(jié)構(gòu)方案示意圖如圖5所示。裝車管線和集液槽相連通的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)上部和下部抽取冷凝液，且制造相對容易，排液效果好，焊接質(zhì)量也容易得到保證。

圖5　裝車管線和集液槽結(jié)構(gòu)

2　有限元分析

2.1建立模型

由于冷凝液收集器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算已經(jīng)不能滿足要求，為了提高設(shè)計(jì)安全可靠性，有必要對開孔部位的接管進(jìn)行有限元分析[10]。

設(shè)計(jì)參數(shù)：冷凝液收集器主管規(guī)格1067 mm× 25.4 mm，長度3.9 m。支管457 mm×37.5 mm，伸出長度174 mm，材質(zhì)SA350 LF6 CL.2。材料彈性模量2×105MPa，泊松比0.3。

所建立的冷凝液收集器模型如圖6所示。

圖6　冷凝液收集器模型

2.2劃分網(wǎng)格

采用ANSYS14.0軟件提供的Solid186單元進(jìn)行高階六面體網(wǎng)格劃分。Solid186單元是20節(jié)點(diǎn)三維結(jié)構(gòu)單元[10]。為取得高質(zhì)量的網(wǎng)格，模型采用了手動(dòng)模式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于模型的軸對稱性，故取開孔處結(jié)構(gòu)的四分之一進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分模型見圖7。

圖7　冷凝液收集器模型網(wǎng)格劃分

2.3施加邊界條件

（1）位移邊界條件

由于采用的是1/4三維實(shí)體模型，對模型的對稱面施加對稱約束，限定了兩個(gè)對稱面的平動(dòng)。

（2）力邊界條件

在內(nèi)部施加內(nèi)壓載荷9.81 MPa，在主管端部和支管端部施加軸向平衡面載荷。冷凝液收集器邊界條件如圖8所示。

冷凝液收集器的有限元分析圖和線性化路徑分別如圖9、圖10所示。為了確保冷凝液收集器設(shè)計(jì)安全可靠，分別選取了兩條路徑進(jìn)行線性化，路徑1代表主管線性化路徑，路徑2代表接管線性化路徑。由此得到主管局部線性化結(jié)果如圖11所示，支管局部線性化結(jié)果如圖12所示。

圖8　冷凝液收集器邊界條件

圖9　冷凝液收集器有限元分析

圖10　冷凝液收集器線性化路徑

圖11　冷凝液收集器主管線性化結(jié)果

圖12　冷凝液收集器支管線性化結(jié)果

接管應(yīng)力校核結(jié)果如表1所示。

表1　冷凝液收集器接管校核結(jié)果

根據(jù)以上有限元分析結(jié)果，在接管和主管連接相貫線肩部分布有最大的應(yīng)力強(qiáng)度，應(yīng)力值為639.8 MPa，其余位置的各應(yīng)力分量均較小。通過分析冷凝液收集器主管和支管線性化結(jié)果，在設(shè)計(jì)壓力作用下，主管一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算值小于許用極限值364 MPa；一次薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算值小于許用極限值546 MPa；一次薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力加峰值應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算值小于許用極限值1092 MPa。支管一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算值小于許用極限值311 MPa；一次薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算值小于許用極限值467 MPa；一次薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力加峰值應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算值小于許用極限值934 MPa。應(yīng)力計(jì)算滿足JB/T 4732《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定[8]。冷凝液收集器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，強(qiáng)度滿足要求。

3　結(jié)論

（1）冷凝液收集器采取分開設(shè)計(jì)、現(xiàn)場組裝的方式，可以確保質(zhì)量、縮短工期、降低運(yùn)輸難度和制造成本。

（2）采用厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)的方式能夠滿足設(shè)計(jì)工況要求，更有效地降低應(yīng)力集中。接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡單，焊縫少，焊接質(zhì)量容易檢驗(yàn)，補(bǔ)強(qiáng)效果較好。

（3）設(shè)計(jì)的外部輻射吹掃管可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的分段控制減壓吹掃，且現(xiàn)場只需要開孔焊接接管，焊接質(zhì)量容易得到保證，吹掃效果好。

（4）設(shè)計(jì)的裝車管線和集液槽相連通的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)上部和下部抽取冷凝液，且制造相對容易，成本較低，排液效果好，焊接質(zhì)量容易得到保證。

（5）接管最大應(yīng)力強(qiáng)度點(diǎn)出現(xiàn)在相貫線肩部。在滿足設(shè)計(jì)質(zhì)量的前提下，可以單獨(dú)增加肩部壁厚或改變結(jié)構(gòu)來節(jié)省投資。

（6）常規(guī)計(jì)算無法適用于多個(gè)接管復(fù)雜的受力工況，因此在滿足設(shè)備安全運(yùn)行的前提下，采用有限元分析設(shè)計(jì)的方法，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)和功能，能夠滿足設(shè)計(jì)工況要求。

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Structure Design and Finite Element Analysis of Condensate Collector in Natural Gas Pipeline Project

Zhao Zhenxing Zhao Shubing Peng Changfei Li Kainan

Abstract：The design and research of the condensate collector is the initiate of China.For the condensate collector,the separate design and on-site assembly are applied to ensure the quality,shorten the construction period,reduce the difficulty level of the transportation and the manufacturing cost.Based on the analysis of the nozzle reinforcement,scavenging pipeline,loading pipeline,collecting tank,and other structures,the design proposals of the thick wall structure of the nozzle reinforcement,the external scavenging pipeline,as well as the linkage of the loading pipeline to the collecting tank are proposed,which then satisfy the design conditions and technological requirements.All in all,the safety and reliability of the design of the condensate collector are guaranteed through the finite element analysis.

Key words：Condensate collector; Nozzle reinforcement; Scavenging pipeline; Collecting tank; Finite element

收稿日期：（2015-08-19）

中圖分類號(hào)TQ 053.6

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.04.003