Flange Cover裝置在海洋油氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施上的應(yīng)用分析

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(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.武漢理工大學(xué) 能動(dòng)學(xué)院，武漢 430063)

Flange Cover裝置在海洋油氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施上的應(yīng)用分析

劉焰明1，劉吉飛1，程久歡1，朱漢華2，范世東2

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.武漢理工大學(xué) 能動(dòng)學(xué)院，武漢 430063)

針對(duì)Flange Cover的安裝空間及形式需求；在設(shè)計(jì)中采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)Flange Cover的尺寸及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，采用ANSYS及CFD等數(shù)值分析輔助工具進(jìn)行模擬及核算，得出滿足安裝、強(qiáng)度及J-60防火要求的Flange Cover形式。

立管；Flange Cover；J60；ANSYS；FLUENT

采油生產(chǎn)設(shè)施中輸油氣立管的法蘭連接處是潛在泄漏點(diǎn)，需要對(duì)連接處與危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行隔離保護(hù)。目前，國(guó)內(nèi)外有學(xué)者對(duì)于壓力容器設(shè)計(jì)，以及JET fire的研究較多[1-5]，但大多針對(duì)具體項(xiàng)目需求而言，對(duì)別的項(xiàng)目不完全適用。Flange Cover如圖1所示，其設(shè)計(jì)理念為極端工況下法蘭連接處發(fā)生泄漏甚至發(fā)生斷裂時(shí)保護(hù)人員及儲(chǔ)油設(shè)施的安全性，該設(shè)計(jì)理念逐漸得到業(yè)內(nèi)的認(rèn)可，目前世界上已經(jīng)有很多廠家開始介入研發(fā)并生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)也有廠家在其設(shè)計(jì)及計(jì)算分析方面取得了較大的進(jìn)展。

圖1 Flange Cover概念樣本

Flange Cover裝置是FPSO、海洋平臺(tái)和其他海洋設(shè)施的重要安保設(shè)備，這里對(duì)其功能、安裝、布置要求和相關(guān)計(jì)算等問(wèn)題進(jìn)行分析，期望推進(jìn)該裝置的應(yīng)用。

2 Flange Cover的功能及相關(guān)考慮因素

1)法蘭泄漏時(shí),控制泄漏流體從Flange Cover出口遠(yuǎn)離船體。

2)在海洋大氣環(huán)境下能承受住腐蝕，易于操作和維護(hù)。

3)可將ESDV閥與外界環(huán)境隔離。

4)氣體泄漏時(shí)，F(xiàn)lange Cover強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)能承受流體泄漏時(shí)帶來(lái)的機(jī)械載荷，氣體在外部燃燒時(shí)，其材料的防火性能，能保護(hù)立管免受燃燒流體的進(jìn)一步影響。

5)Flange Cover的強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)能承受立管泄漏時(shí)帶來(lái)的機(jī)械載荷及熱載荷，外壁能滿足J60等級(jí)的防火設(shè)計(jì)需求。

6)需考慮1.5倍的安全因子。

7)需考慮風(fēng)載、地震加速度等極端工況。

某FPSO項(xiàng)目立管位置Flange Cover安裝見圖2，立管左側(cè)為油艙。一旦法蘭連接處發(fā)生泄漏產(chǎn)生火苗并蔓延至船體，帶來(lái)的危害及損失難以計(jì)量。

由圖2a)可知，F(xiàn)lange Cover安裝在絕緣法蘭以及SDV閥2側(cè)，每根立管共安裝3套。

3 Flange Cover的布置與流場(chǎng)分析

Flange Cover設(shè)計(jì)基于Riser內(nèi)部的流體工況，以流體極端工況為邊界條件，F(xiàn)lange Cover的尺寸、形狀、內(nèi)腔大小、泄漏口形狀、外壁壁厚及防火材料性能將基于Riser內(nèi)大、中，小3種流體工況進(jìn)行計(jì)算。

圖2 Flange Cover安裝示意

圖3 Riser平臺(tái)區(qū)域布置

3.1 Riser相關(guān)布置

1)立管布置圖及ISO布置。立管與ISO布置圖給Flange Cover的安裝提供參考，為Flange Cover的尺寸大小是否滿足安裝、操作維修要求提供核實(shí)依據(jù)。見圖4。

圖4 管線安裝

2)SDV閥與Flange Cover布置。Flange Cover的外形尺寸設(shè)計(jì)時(shí)基于所保護(hù)閥門及法蘭的尺寸大小，并結(jié)合考慮法蘭螺栓的長(zhǎng)度尺寸信息，對(duì)于緊湊型閥門，F(xiàn)lange Cover設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮將整個(gè)Flange Cover進(jìn)行全包圍，F(xiàn)lange Cover應(yīng)給閥體與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接桿開孔，并考慮密封。

為了充分考慮Flange Cover的安裝空間及密封，F(xiàn)lange的尺寸參考對(duì)應(yīng)的ASME B16.5，NORSOK L-005，API 6A等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3)Riser terminal終端布置。對(duì)于保護(hù)旋轉(zhuǎn)法蘭與立管法蘭的Flange Cover，設(shè)計(jì)時(shí)除需SWIVEL法蘭資料外，立管終端的結(jié)構(gòu)詳細(xì)尺寸圖也是需要的，見圖5。

圖5 Riser terminal結(jié)構(gòu)

對(duì)于關(guān)斷閥與法蘭等被保護(hù)的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，孔徑、長(zhǎng)寬尺寸、螺栓孔距等關(guān)鍵參數(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)被重視，而其他非承壓部位的設(shè)計(jì)會(huì)存在的偏差，因此，為保證Flange Cover的安裝空間及密封精度，對(duì)關(guān)斷閥及RISER終端的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量至關(guān)重要。

3.2 主要工藝參數(shù)

A為管線最高操作壓力；B為60 min內(nèi)的烴化物最大泄漏量；C為泄漏烴化物最小密度；D為泄漏烴化物最大密度；E為管線操作溫度，℃；F為Flange Cover將承受的最小溫度，高壓氣體膨脹吸熱時(shí)所產(chǎn)生的低溫，通常由CFD計(jì)算結(jié)果獲?。籊為JET FIRE工況下最大泄漏量(考慮最高溫度1 200 ℃,至少持續(xù)60 min)；H為爆炸載荷；I為最低環(huán)境溫度；W為最大風(fēng)速。參數(shù)選取基于ODP設(shè)計(jì)中防火煙霧分析報(bào)告，其中泄漏量、泄漏物密度等對(duì)應(yīng)不同組分的參數(shù)，取最大值。

3.3 Flange Cover的計(jì)算與分析

Flange Cover設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)：①Flange Cover結(jié)構(gòu)材料能抵御立管流體泄漏時(shí)產(chǎn)生的壓力沖擊；②60 min內(nèi)能抵御氣體外部燃燒時(shí)的帶來(lái)的熱載荷。因此，計(jì)算主要包括結(jié)構(gòu)計(jì)算，核算框架結(jié)構(gòu)是否能承受流體泄漏帶來(lái)的壓力沖擊；流體計(jì)算，計(jì)算泄漏工況下流體場(chǎng)及溫度場(chǎng)的分布。

Flange Cover的設(shè)計(jì)計(jì)算基于經(jīng)驗(yàn)公式以及數(shù)值計(jì)算。在前期設(shè)計(jì)階段，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算估算Flange Cover的尺寸及開口大小，利用UG或SOLIWORKS等三維建模軟件建立模型，在ANSYS或CFD中建模后，輸入邊界條件，驗(yàn)證所選型結(jié)構(gòu)的合理性，并作局部加固。

1)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

在Flange Cover與立管空間里，最大的力為環(huán)向應(yīng)力σ

(1)

式中：p為壓力；D為直徑；t為計(jì)算壁厚。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，泄漏量與管線直徑、Flange Cover開孔尺寸、立管內(nèi)壓、Flange Cover內(nèi)空腔大小線性相關(guān)。

(2)

(3)

式中：pe為Flange Cover內(nèi)腔壓力；pr為立管內(nèi)壓力；Se為Flange Cover開口面積；Sr為立管有效截面積；C為排放系數(shù)，泄漏工況時(shí)為0.62，斷裂時(shí)為0.8；tf為Flange Cover壁厚；De為Flange Cover直徑；f為應(yīng)力因子；σr為材料的屈服強(qiáng)度。

2)數(shù)值計(jì)算。算例中Flange Cover及立管內(nèi)的流體分析與計(jì)算基于納維-斯托克斯方程，采用連續(xù)性方程，動(dòng)量方程及能量方程。流場(chǎng)的分析基于連續(xù)性方程與動(dòng)量方程，溫度場(chǎng)的計(jì)算基于能量方程。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)法蘭為剛性單元，F(xiàn)lange Cover為板單元，算例中計(jì)算采用ANSYS FLUENT軟件，網(wǎng)絡(luò)劃分依靠shell 281單元。

取A=50 MPa，B=400 kg/s，C=800 kg/m3,D=960 kg/m3,E=40 ℃,G=15 kg/s,I=12 ℃,H=30 kPa,W=20 m/s。

圖6 Flange Cover結(jié)構(gòu)受力計(jì)算云圖

圖7 流體場(chǎng)分布

計(jì)算表明，flange連接處受力最大，此處通過(guò)設(shè)置阻尼器或局部增加壁厚的方法予以加強(qiáng)。

同時(shí)，F(xiàn)lange Cover內(nèi)壁與Flange外壁距離增大時(shí)，所需最小壁厚將會(huì)減小，但距離增加到一定值時(shí)，對(duì)壁厚的影響將大幅減小。

經(jīng)過(guò)分析驗(yàn)證后的Flange Cover模型外形見圖8。

圖8 某廠家Flange Cover樣本圖

目前常見產(chǎn)品材料組成主要有以下2種。

1)復(fù)合材料加涂層。該種類型的產(chǎn)品采用的是復(fù)合材料，產(chǎn)品外表面防火涂層較薄，結(jié)構(gòu)與涂層本身具有重量輕，防腐性能好，具有較好的防火性能，但是，復(fù)合材料本身的造價(jià)較高。

2)不銹鋼+PFP涂層。該種類型的產(chǎn)品承壓內(nèi)件采用316L牌號(hào)不銹鋼，外表面防火部件采用Chartek 7,Leighs Paint等品牌PFP。不銹鋼內(nèi)件使得產(chǎn)品本身重量較大，同時(shí)PFP涂層在結(jié)構(gòu)連接處的噴涂比較困難，但是其價(jià)格相對(duì)于復(fù)合材料較低。

4 結(jié)論

Flange Cover裝置的應(yīng)用目前尚處于初級(jí)階段，備受行業(yè)關(guān)注，目前已有2條FPSO上采用了該裝置，其并無(wú)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)及材料標(biāo)準(zhǔn)。因此，從設(shè)計(jì)階段開始，設(shè)計(jì)方需將圖紙資料及計(jì)算程序送用戶及船級(jí)社審查，每一個(gè)階段批準(zhǔn)后方能開始下一步工作。該裝置具有以下幾個(gè)不同的安裝和安全特點(diǎn)。

1)與高壓壓力容器不同的是裝置的半敞口設(shè)計(jì)，泄漏氣體將要求向船舷外側(cè)噴射，因此，密封的要求形式與壓力容器有一定的差別。

2)泄漏產(chǎn)生的氣體在壓力的作用下，將會(huì)遠(yuǎn)離Flange Cover，因此，裝置的Jet fire分析需要考慮該影響。

各大船級(jí)社沒(méi)有針對(duì)Flange Cover裝置的產(chǎn)品認(rèn)證要求。不同的設(shè)計(jì)方設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品差別較大，這給用戶的選型帶來(lái)較多的困難。隨著該安全設(shè)計(jì)理念被BP、巴國(guó)油等國(guó)外知名公司接受，本裝置的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越多，需制定相應(yīng)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及細(xì)則，主要應(yīng)包括以下幾點(diǎn)。

1)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)收，包括計(jì)算報(bào)告。

2)防火測(cè)試，外壁材料的J60等級(jí)要求。

3)密封測(cè)試，主要體現(xiàn)Flange Cover各部位連接處的密封測(cè)試，以及Flange Cover與RISER部件的密封測(cè)試。

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Application of Flange Cover in Offshore Oil and Gas Storage and Transportation Facilities

LIUYan-ming1,LIUJi-fei1,CHENGJiu-huan1,ZHUHan-hua2,FANShi-dong2

(1 China Offshore Oil Engineering Corporation, Tianjin 300451, China;2 School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

The function and installation position of the flange covers was analyzed. According to the requirements for installation space and types of the flange covers, the basic dimension and strength were calculated by experiential formula firstly, and numerical tool of ANSYS and CFD were applied for simulation and checking of flange covers. A new type of flange covers was designed which can meet the requirements of installation, strength and J-60 fire resistance.

risers; Flange Cover; J60; ANSYS; FLUENT

U674.38

A

1671-7953(2017)05-0111-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.029

2016-09-22

修回日期：2016-10-19

劉焰明(1983—)，男，碩士，工程師

研究方向：海洋石油平臺(tái)設(shè)計(jì)