輸氣站場低溫工況設(shè)計要點

楊文川 諶貴宇 鮮 寧 申 琳

中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

輸氣站場在正常輸送、調(diào)壓、放空、排污、投產(chǎn)充壓等工況下,可能因焦耳-湯姆遜效應(yīng)而產(chǎn)生較低的介質(zhì)溫度,導(dǎo)致承壓管道和設(shè)備金屬壁經(jīng)受低溫工況;此外,寒冷地區(qū)的大氣低溫環(huán)境也會使地面管道和設(shè)備金屬壁遭受低溫工況。無論是介質(zhì)低溫,還是大氣環(huán)境低溫,都是影響輸氣站場最低設(shè)計溫度確定和合理選材的關(guān)鍵因素[1-2]。

在設(shè)計階段,如果沒有對低溫工況及其可能引發(fā)的后果進行詳細分析,則可能導(dǎo)致選材不合理并影響運行的可操作范圍及安全性。如果選材不滿足實際的低溫工況要求,則會埋下安全隱患,造成承壓管道和設(shè)備的脆性開裂,甚至發(fā)生重大事故;如果選材高于實際需求,則會增加項目投資和采購難度。因此,合理確定最低設(shè)計溫度和選材是項目安全運行和優(yōu)化投資的重要保障之一。

1 最低設(shè)計溫度的定義

設(shè)計溫度是用于強度設(shè)計需要擬定的溫度,有最高設(shè)計溫度和最低設(shè)計溫度之分[3-6]。最低設(shè)計溫度或最低金屬壁溫是確定材料低溫性能的重要指標,以金屬溫度為對象來定義。

綜合各標準的定義,最低設(shè)計溫度一般是根據(jù)管道和設(shè)備在操作過程中預(yù)期的各種可能工況下可能出現(xiàn)的最低金屬溫度確定。輸氣站場最低設(shè)計溫度需考慮正常操作、工藝擾動、投產(chǎn)、停輸、放空、放空后的再充壓、試壓、最低環(huán)境溫度,以及伴熱等措施的影響[3-13]。我國南方地區(qū)的輸氣站場以介質(zhì)低溫為主,北方地區(qū)輸氣站場則兼有介質(zhì)低溫和環(huán)境低溫。如果最低環(huán)境溫度是決定性因素,則最低金屬溫度可取最低環(huán)境溫度。

關(guān)于最低環(huán)境溫度的取值,根據(jù)GB 150-2011《壓力容器》(以下簡稱GB 150)、TSG D 0001-2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程——工業(yè)管道》、TSG 21-2016 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》等標準的規(guī)定,按照該地區(qū)氣象資料,取歷年來月平均最低氣溫的最低值(月平均最低氣溫是指當月各天的最低氣溫值相加后除以當月的天數(shù)),具體數(shù)值可查閱GB 50009-2012 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》等標準[6-8,14]。

一般來說,最低設(shè)計溫度應(yīng)不高于操作條件下可能的最低金屬溫度。在低溫工況條件下,當具有較大成本優(yōu)勢或為了降低選材難度時,在采取足夠的保護措施(如伴熱保溫等)后,可提高最低設(shè)計溫度。必要時可結(jié)合低溫低應(yīng)力工況或材料免除沖擊試驗的條件降低材料的最低使用溫度。

2 輸氣站場低溫工況分析

2.1 分析步驟

低溫工況分析的根本目的在于指導(dǎo)選材和運行操作。主要分析步驟包括:

1)識別可能產(chǎn)生低溫的工況和部位;

2)計算流體在各種工況下可能產(chǎn)生的最低溫度,必要時通過詳細傳熱計算確定管道和設(shè)備金屬壁溫;

3)根據(jù)最低介質(zhì)溫度或管道和設(shè)備最低金屬壁溫確定最低設(shè)計溫度;

4)根據(jù)最低設(shè)計溫度選定材料,并提出低溫韌性試驗要求以確保選材的安全性。

2.2 典型工況分析

輸氣站場承壓管道和設(shè)備可能經(jīng)受低溫的典型工況主要包括投產(chǎn)充壓、正常運行、停輸、緊急放空、檢維修與改造前的手動放空、安全閥排放、排污等。

2.2.1 投產(chǎn)充壓

包括首次投產(chǎn)充壓和站場整體或局部放空后的再投運充壓。其中,新建管道系統(tǒng)的站場首次投產(chǎn)充壓時,氣源來自線路管道,壓力一般較低,氣體通過節(jié)流閥節(jié)流后產(chǎn)生低溫的可能性較小。在役管道系統(tǒng)的站場整體或局部放空后的再投運充壓,氣源壓力可能較高,氣體通過節(jié)流閥節(jié)流后產(chǎn)生的溫度較低。因此,一般應(yīng)分析站場整體或局部放空后再投運充壓時是否會產(chǎn)生低溫工況。

2.2.2 正常運行

需考慮以下工況的最低溫度:氣體正常流動時管道和設(shè)備內(nèi)部流體介質(zhì)的最低運行溫度;調(diào)壓閥/節(jié)流裝置的節(jié)流后流體介質(zhì)的最低運行溫度;無伴熱的死氣段管道和設(shè)備的最低金屬壁溫,該溫度按最低環(huán)境溫度取值[7-8]。

2.2.3 停輸

因站場緊急停車或?qū)植吭O(shè)備進行檢維修操作時,需對流進和流出站場或局部設(shè)施的流體介質(zhì)進行截斷,并關(guān)閉站內(nèi)相應(yīng)區(qū)域的動力設(shè)備和熱源系統(tǒng),停輸后管道和設(shè)備內(nèi)部流體介質(zhì)和金屬壁的溫度會隨著時間的延續(xù)逐漸接近大氣環(huán)境溫度。同時由于定容效應(yīng),管道和設(shè)備內(nèi)部氣體壓力會隨溫度的變化而變化。對于無伴熱管道，其最低金屬壁溫按最低環(huán)境溫度選取。

2.2.4 緊急放空

非火災(zāi)工況下觸發(fā)的緊急放空,可能導(dǎo)致限流孔板上游和下游系統(tǒng)經(jīng)受非常低的工作溫度,設(shè)計時應(yīng)予以注意,且放空初始狀態(tài)參數(shù)可能是正常運行時的參數(shù),也可能是站場或局部設(shè)施截斷后冷卻一定時間后的參數(shù)[15-16]。因此,考慮站內(nèi)可能的最惡劣放空工況,應(yīng)分析站場或局部設(shè)施截斷后冷卻至環(huán)境溫度后進行緊急放空時的低溫工況。

2.2.5 檢維修與改造前的手動放空

站內(nèi)設(shè)備進行檢維修和改造前需進行上、下游截斷,然后進行手動放空。在進行手動放空時,一般緩慢打開放空閥,根據(jù)放空管路的噪音和振動情況控制放空閥門開度,逐漸增大閥門的開度直至全開。由于放空閥的開度由操作人員手動控制,在設(shè)計時應(yīng)以最惡劣的工況考慮。

2.2.6 安全閥排放

安全閥排放時,氣體由排放壓力和溫度節(jié)流至下游背壓條件。由于傳熱的動態(tài)特性,安全閥下游管道的溫度變化會略滯后于氣體溫度的變化,但是安全閥下游氣體流速一般都較高,氣體與管壁的傳熱系數(shù)較大,在較短的時間內(nèi)就會非常接近于氣體溫度。因此,可用節(jié)流后的氣體溫度近似作為管道壁溫。

2.2.7 排污

當設(shè)備采用離線排污方案時,即先將設(shè)備的上、下游截斷,然后放空至一定壓力后再排污,天然氣可能通過排污閥節(jié)流后竄入排污系統(tǒng)。此過程中排污閥上、下游可能產(chǎn)生的溫度與檢維修和改造前的手動放空所產(chǎn)生的溫度基本相同。

3 低溫低應(yīng)力工況與材料免除低溫沖擊試驗條件

低溫低應(yīng)力工況和材料免除低溫沖擊試驗條件的本質(zhì)是降低材料的操作應(yīng)力以避免材料在低溫環(huán)境下起裂。各標準對低溫低應(yīng)力工況的規(guī)定見表1,對材料免除低溫沖擊試驗條件的規(guī)定見表2。

GB 50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱GB 50251)第5.2.8條規(guī)定了放空管線、管件和放空立管的材料宜按低溫低應(yīng)力工況校核,且條文說明中有低溫低應(yīng)力工況的詳細定義[3]。按標準規(guī)定,對于X 70以上鋼級的材料，由于其最小抗拉強度大于540 MPa,而不能采用低溫低應(yīng)力工況。GB 50251的規(guī)定與GB 150和GB 50316-2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》(2008年版,以下簡稱GB 50316)的規(guī)定是基本一致的[3,5-6]。

需要注意的是對于我國國標材料,采用低溫低應(yīng)力工況時依然要求在-20 ℃下做低溫沖擊試驗。

ASME B 31.3-2016 Process Piping(以下簡稱ASME B 31.3)與ASME BPVC VIII-1-2017 Rules for Construction of Pressure Vessels(以下簡稱ASME BPVC VIII-1)中的相關(guān)規(guī)定有所不同,它們根據(jù)大量材料的試驗結(jié)果,提供了材料免除低溫沖擊試驗允許的溫度降低值曲線[10-11]。

表1各標準對低溫低應(yīng)力工況的規(guī)定

標準操作溫度T/℃操作應(yīng)力或壓力要求附加條件GB50251-70≤T<-20環(huán)向應(yīng)力不大于標準規(guī)定最小屈服強度的1/6適用于最小抗拉強度不大于540MPa的材料GB50316-70≤T<-20環(huán)向應(yīng)力不大于鋼材標準中屈服點的1/6，且不大于50MPa不適用于抗拉強度下限值大于540MPa的鋼材及螺栓材料GB/T208012-2006《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道第2部分：材料》(以下簡稱GB/T208012)-101≤T<材料最低使用溫度低溫下的最大工作壓力不大于常溫下最大允許工作壓力的30%；管道由壓力、重量及位移產(chǎn)生的軸向(拉)應(yīng)力總和不大于材料標準規(guī)定最小抗拉強度值的10%(計算位移應(yīng)力時，不計入應(yīng)力增大系數(shù))僅限于GC2級管道GB150-70(對不要求焊后熱處理的容器為-60)≤T<-20容器元件實際承受的最大一次總體薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力不大于鋼材標準常溫屈服強度的1/6，且不大于50MPa不適用于Q235系列鋼板；不適用于鋼材標準抗拉強度下限值大于等于540MPa的材料；不適用于螺栓材料CSAZ662-15OilandGasPipelineSystems未明確管道設(shè)計操作應(yīng)力不大于50MPa-

表2各標準對材料免除低溫沖擊試驗條件的規(guī)定

標準操作溫度T/℃操作應(yīng)力或壓力要求附加條件ASMEB313當應(yīng)力系數(shù)大于03且小于1時：T為標準中圖32322A或附錄A確定的最低溫度值減去由圖32322B確定的溫度降低值，但不低于-48；當應(yīng)力系數(shù)不大于03時：T大于等于-104且小于圖32322A或附錄A確定的最低溫度值標準中圖32322B定義的應(yīng)力系數(shù)小于1不適用于M類流體；管道應(yīng)經(jīng)過不低于15倍設(shè)計壓力的水壓試驗；壁厚大于等于13mm時，管道系統(tǒng)應(yīng)對外加載荷，諸如維護載荷、沖擊載荷和熱沖擊載荷加以安全防護(標準中附錄G)ASMEBPVCVIII?1當標準中圖UCS-661定義的比值大于035且小于1時：T為圖UCS-66確定的最低溫度值減去由圖UCS-661確定的溫度降低值，但不低于-48；當圖UCS-661定義的比值小于等于035時：T大于等于-105且小于圖UCS-66確定的最低溫度值標準中圖UCS-661定義的比值小于1-

緊急放空和檢維修與改造前的手動放空過程中,介質(zhì)溫度下降的同時伴隨著操作壓力的下降,對鋼材低溫韌性的要求也會下降,因此,如果符合低溫低應(yīng)力工況或材料免除沖擊試驗的條件,則可降低材料的最低使用溫度,在確保選材安全的前提下,可避免使用低溫材料,進而有效降低成本。

4 最低設(shè)計溫度的取值

由于金屬壁溫不便于準確預(yù)計,通常依據(jù)介質(zhì)的最低操作溫度確定設(shè)備和管道的最低設(shè)計溫度,且最低設(shè)計溫度需對應(yīng)設(shè)備和管道的設(shè)計壓力,其值取下述各值中的最小值[3-6,8-9,11-13]:

1)介質(zhì)連續(xù)運行的最低溫度減去5～10 ℃(根據(jù)項目規(guī)定或考慮材料的臨界點選取);

2)最低環(huán)境溫度(無伴熱時);

3)緊急放空、檢維修與改造前的手動放空、排污、投產(chǎn)充壓等特殊、非連續(xù)運行工況下的最低介質(zhì)溫度,且不再考慮余量;或上述工況下計算所得的最低金屬壁溫,并考慮一定余量(根據(jù)計算準確程度確定)。

5 提高最低設(shè)計溫度的措施

站內(nèi)緊急放空、檢維修與改造前的手動放空和投產(chǎn)充壓工況可能導(dǎo)致較低的管道和設(shè)備金屬壁溫,如果直接按照極端工況確定材料的最低設(shè)計溫度,可能造成選材成本的大幅增加。此時,可考慮采取適當措施提高管道和設(shè)備的最低設(shè)計溫度或使之符合低溫低應(yīng)力工況,進而在保證安全的前提下降低選材要求。

1)對管道和設(shè)備進行伴熱保溫,可有效提高管道和設(shè)備的金屬壁溫。

2)提高放空初始溫度或降低放空初始壓力:對站內(nèi)手動放空,在放空前可采取流程倒換的方法提高管道和設(shè)備壁溫,然后進行放空作業(yè),以避免放空產(chǎn)生過低的金屬壁溫;對于站內(nèi)緊急放空,可采取緊急停車后立即放空的方式,或在停車保壓后檢測管道或設(shè)備的金屬壁溫,若壁溫低至某一臨界值后應(yīng)立即放空,以避免放空產(chǎn)生過低的金屬壁溫。

3)降低充壓氣源壓力或提高充壓氣源溫度,以避免充壓過程中產(chǎn)生過低的金屬壁溫。

通過改變操作方式達到緩解低溫問題的措施實際上限制了運行的可操作范圍,因此若采用上述方法,需出具相關(guān)操作說明并獲得業(yè)主認可。

如果無法避免過低的最低設(shè)計溫度,則可適當增加管道和設(shè)備壁厚,并合理安裝管道和設(shè)備,將其操作應(yīng)力降低至一定水平,使之符合低溫低應(yīng)力工況或免除低溫沖擊試驗的條件。

6 管道、管件選材及其低溫韌性要求

輸氣站場內(nèi)管網(wǎng)由管道、管件和閥門組成,閥門可以起到止裂作用,管件也可以在一定程度上起到止裂作用,因此站場內(nèi)工藝管道的斷裂韌性主要基于防止管道起裂考慮。低溫工況下輸氣站場系統(tǒng)中的管道設(shè)備的材料選擇應(yīng)要求材料(包括母材、焊縫及其熱影響區(qū))具有足夠的起裂韌性以避免起裂。為了確保材料在低溫工況下能夠安全可靠地應(yīng)用,國內(nèi)外通用的做法是采用夏比沖擊試驗來檢測并驗證材料具有足夠的起裂韌性。

輸氣站場管道設(shè)備最常用的材料包括普通碳鋼、低溫碳鋼以及奧氏體不銹鋼,由于化學(xué)成分以及制造工藝的不同,其最低使用溫度亦不同。GB/T 20801.2和ASME B 31.3規(guī)定了材料的最低使用溫度和是否需要進行夏比沖擊試驗的最低要求[10,17]。通常,我國國標普通碳鋼的最低使用溫度為-20 ℃,美國標準為-29 ℃;我國國標低溫碳鋼的最低使用溫度為-40 ℃,美國標準為-45 ℃;奧氏體不銹鋼具有良好的低溫性能,我國國標材料最低使用溫度為-196 ℃,美國標準為-198 ℃[5-6,10-11,17-18]。

輸氣站場用管標準一般執(zhí)行GB/T 9711-2011《石油天然氣工業(yè)、管線輸送系統(tǒng)用鋼管》(以下簡稱GB/T 9711)(碳鋼)和GB/T 14976-2012 《流體輸送用不銹鋼無縫管》(不銹鋼)[19-20]。對于執(zhí)行GB/T 9711的鋼管,在工程規(guī)定的試驗溫度條件下,夏比沖擊吸收功滿足規(guī)定后才能使用。

不同的標準對夏比沖擊試驗的要求存在差異,GB 20801.2和ASME B 31.3中規(guī)定的夏比沖擊吸收功均為最低要求,而一般企業(yè)標準對夏比沖擊試驗的沖擊吸收功有更高要求。建議輸氣站場管道和管件材料的夏比沖擊試驗采用以下原則:

1)材料及焊縫的試驗溫度應(yīng)不高于最低設(shè)計溫度,且不高于0 ℃;

2)為了便于材料試驗溫度的標準化且便于采購,試驗溫度宜選擇0、-10、-20、-30、-45 ℃或與廠商協(xié)商采用更低的試驗溫度;

3)夏比沖擊吸收功建議按照現(xiàn)行標準中的較大值執(zhí)行。管道標準:GB/T 9711、GB 5310-2008 《高壓鍋爐用無縫鋼管》、GB 6479-2013 《高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管》、GB/T 8163-2008 《輸送流體用無縫鋼管》、Q/SY 1513.5-2013 《油氣輸送管道用管材通用技術(shù)條件 第5部分:站場用鋼管》等;管件標準:GB 150、GB/T 29168.2-2012 《石油天然氣工業(yè) 管道輸送系統(tǒng)用感應(yīng)加熱彎管、管件和法蘭 第2部分:管件》、Q/SY 1513.7-2013《油氣輸送管道用管材通用技術(shù)條件 第7部分:管件》等;管道焊接標準:GB/T 31032-2014 《鋼質(zhì)管道焊接及驗收》等。

7 結(jié)論

合理確定最低設(shè)計溫度和選材是輸氣站場運行安全性和建設(shè)經(jīng)濟性的重要保證。在進行輸氣站場最低設(shè)計溫度的確定和選材時需關(guān)注以下內(nèi)容:

1)根據(jù)最低設(shè)計溫度的定義,全面系統(tǒng)地分析和計算整個工藝系統(tǒng)可能出現(xiàn)的低溫工況和部位,必要時采用動態(tài)模型并考慮詳細傳熱以計算金屬壁溫,并結(jié)合應(yīng)力分析結(jié)果進行低溫低應(yīng)力工況的核算。

2)根據(jù)管道和設(shè)備的最低設(shè)計溫度選擇符合要求的材料。材料的低溫韌性試驗溫度應(yīng)不高于其最低設(shè)計溫度,夏比沖擊吸收功應(yīng)滿足相應(yīng)標準和規(guī)范的要求。

3)若分析后管道和設(shè)備的最低工作溫度較低,則可在工藝、操作、運行管理上考慮足夠的安全措施,以提高最低設(shè)計溫度,或使其符合低溫低應(yīng)力工況或材料免除沖擊試驗的條件,以降低材料的最低使用溫度,從而避免使用低溫碳鋼或不銹鋼。

4)原則上不建議通過改變操作方式達到緩解低溫的目的,從而降低材料的選擇要求,若采用該方法,需要出具相關(guān)的操作說明并獲得業(yè)主認可。

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