降低大跨度大尺寸低溫管道位移的多次補(bǔ)償柔性設(shè)計(jì)

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(中海油能源發(fā)展股份有限公司 天津人力資源服務(wù)分公司， 天津 300457)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)天然氣的需求量增加快速，與此同時(shí)，液化天然氣(LNG)項(xiàng)目建設(shè)也發(fā)展迅速[1-5]。天津LNG項(xiàng)目碼頭由LNG船碼頭和浮式存儲(chǔ)氣化船(FSRU)碼頭組成。一期浮式階段，?？吭贚NG船碼頭的LNG運(yùn)輸船通過(guò)定期向FSRU卸料來(lái)保障連續(xù)供氣。2個(gè)碼頭之間卸料管道/液化天然氣蒸發(fā)氣(BOG)返氣管道長(zhǎng)度大約為800 m，卸料管道直徑為1 066.8 mm(42″)、返氣管道直徑為711.2 mm(28″)，管道材料均為304/304L。當(dāng)兩船卸料的間隔時(shí)間比較長(zhǎng)時(shí)，需要處理卸料管道中的LNG，否則卸料管道中就會(huì)多次出現(xiàn)降溫、升溫的過(guò)程。

管道柔性設(shè)計(jì)對(duì)管道布置有非常大的影響[6-8]，設(shè)計(jì)階段就必須充分考慮多次溫度變化對(duì)管道帶來(lái)的影響，因此，從配管開(kāi)始就應(yīng)對(duì)管道柔性狀況進(jìn)行綜合分析，防止在試車(chē)、運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)管道塑性位移、管道破裂等風(fēng)險(xiǎn)。文中以大跨度、大尺寸卸料管道和返氣管道為重點(diǎn)，分析整個(gè)低溫管道的柔性設(shè)計(jì)情況。

1 管道柔性設(shè)計(jì)要求

1.1 管線(xiàn)柔性設(shè)計(jì)整體要求

管道柔性是指卸料管道通過(guò)自身的形變吸收應(yīng)力，即滿(mǎn)足從2個(gè)碼頭LNG臂到返氣臂管口之間的力矩要求，同時(shí)滿(mǎn)足管道設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性、安全性以及工藝溫降、升壓的基本要求。

在布置直徑為1 066.8mm(42″)、711.2 mm(28″)這樣大尺寸的管道時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)通過(guò)幾何形狀的合理布置使管道具有足夠的柔性，防止在預(yù)冷等過(guò)程中管道因發(fā)生冷縮和位移受約束而產(chǎn)生過(guò)大應(yīng)力，導(dǎo)致產(chǎn)生管道疲勞、管支架損壞、接頭處發(fā)生泄漏等問(wèn)題[9-10]。

在卸料過(guò)程中管道產(chǎn)生的內(nèi)壓和持續(xù)外載荷作用下產(chǎn)生的一次應(yīng)力[11-12]，應(yīng)該不大于管道材料304/304L的許用應(yīng)力。持續(xù)外載荷是指管道自重(包括LNG介質(zhì)的重量、管道保冷材料的重量)、風(fēng)載荷和雪載荷等。選擇管道支架時(shí)，這些外載荷均必須考慮。

管道在預(yù)冷、升溫和位移受約束時(shí)產(chǎn)生的二次應(yīng)力，應(yīng)不大于管道材料304/304L的熱膨脹許用應(yīng)力。應(yīng)確保管道一次和二次應(yīng)力滿(mǎn)足ASME B31.3—2016《工藝管道》[13]規(guī)范要求，確保在操作基準(zhǔn)(OBE)工況下的管道偶然應(yīng)力滿(mǎn)足ASME B31.3規(guī)范要求，確保在安全停運(yùn)(SSE)工況下管道的偶然應(yīng)力不超過(guò)其屈服強(qiáng)度。

1.2 管道支架基本設(shè)置原則

天津LNG項(xiàng)目中的管支架主要分為固定支架、滑動(dòng)支架和彈簧支架3大類(lèi)[14-19]。固定支架在豎向、縱向(沿管道軸向)及橫向(管道徑向)均限制管道的位移，其所受的縱向水平力由區(qū)段內(nèi)活動(dòng)支架對(duì)管道的作用力、伸縮反力和管道的不平衡內(nèi)壓力構(gòu)成?；顒?dòng)支架只是在管道豎向、橫向限制管道移動(dòng)，縱向移動(dòng)是允許的。

卸料管道和BOG管道比較長(zhǎng)，需要合理設(shè)置固定支架和滑動(dòng)支架，以便對(duì)管系整體應(yīng)力進(jìn)行分配。輸送LNG時(shí)，在LNG介質(zhì)和大氣變化等載荷的作用下，長(zhǎng)距離、大跨度卸料管道產(chǎn)生的位移比小尺寸管道產(chǎn)生的位移更為嚴(yán)重，產(chǎn)生的危害性也更大。采取每隔一段距離設(shè)置1個(gè)固定點(diǎn)(固定管支架)，在2個(gè)固定點(diǎn)之間采用補(bǔ)償措施的方法來(lái)降低管道位移，這樣卸料管道和BOG返氣管道就被分成了若干區(qū)段，每個(gè)區(qū)段支架的熱脹冷縮量由這一區(qū)段的補(bǔ)償措施吸收，活動(dòng)支架所受的力也通過(guò)該區(qū)段管道傳遞給固定支架，使整個(gè)系統(tǒng)獲得更高的穩(wěn)定性和安全性。

2 管道膨脹彎柔性設(shè)計(jì)

膨脹彎柔性設(shè)計(jì)是降低管道應(yīng)力和位移的有效辦法，是管道柔性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。管道中彎管的內(nèi)力和變形通常與其形狀有關(guān)，膨脹彎的設(shè)置選擇了Z型、π型、L型、S型等形式。

2.1 卸料管道膨脹彎選擇

卸料管道經(jīng)過(guò)碼頭后就進(jìn)入棧橋，棧橋上的管道較長(zhǎng)，所以在管道經(jīng)碼頭下棧橋位置設(shè)置了固定點(diǎn)，以保障碼頭上的卸料管道不受棧橋管道冷縮位移的影響。

碼頭下棧橋管支架設(shè)置情況見(jiàn)圖1。該固定點(diǎn)處的管道和支架之間不允許產(chǎn)生相對(duì)位移，支架承受區(qū)段間產(chǎn)生的全部縱向水平推力。通過(guò)該固定點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)碼頭和陸域部分的管道分段。

圖1中標(biāo)出了碼頭卸料管道的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，碼頭固定點(diǎn)編號(hào)為85，在該處設(shè)置固定管支架。LNG碼頭到浮式碼頭段的管道距離較長(zhǎng)，需合理設(shè)置固定點(diǎn)，以防管道位移過(guò)大拉壞管道。

根據(jù)本項(xiàng)目的管道布置，為了有效控制管道的冷縮位移，增加管道的穩(wěn)定性，分別對(duì)采用L型、Z型和π型膨脹彎補(bǔ)償?shù)姆桨高M(jìn)行應(yīng)力分析。其中L型和Z型是利用了管道走向進(jìn)行的自然補(bǔ)償，對(duì)東西向超過(guò)260 m的管道則設(shè)置了π型膨脹彎。由于整個(gè)卸料管道尺寸比較大(1 066.8 mm)，使用溫度為-165～45 ℃，溫差也較大，因此，需要綜合應(yīng)用L型、Z型和π型膨脹彎才能有效控制管道的冷縮位移，增加管道的穩(wěn)定性。

卸料管道不同形式補(bǔ)償措施見(jiàn)圖2～圖4。圖2中，從碼頭到卸料管道的2個(gè)固定點(diǎn)形成L型補(bǔ)償。

圖3中，卸料管道部分的2個(gè)固定點(diǎn)形成Z型補(bǔ)償。

圖4中，在卸料管道中間部分的3個(gè)固定點(diǎn)形成2個(gè)π型補(bǔ)償。

圖1 碼頭下棧橋處管支架設(shè)置

圖2 卸料管道L型補(bǔ)償措施

圖3 卸料管道Z型補(bǔ)償措施

圖4 卸料管道π型補(bǔ)償措施

2.2 BOG返氣管道膨脹彎選擇

通常BOG返氣管道和卸料管道是平行布置的，而且工作溫度范圍相似，因此BOG返氣管道的補(bǔ)償處理方法與LNG卸料管道的類(lèi)似，采取L型、Z型和π型補(bǔ)償彎進(jìn)行多次補(bǔ)償，得到的補(bǔ)償方案見(jiàn)圖5。

圖5 BOG返氣管道補(bǔ)償措施

2.3 其他補(bǔ)償措施

卸料管道及BOG管道尺寸較大，所以冷縮位移較大，離固定點(diǎn)越遠(yuǎn)，管道位移也會(huì)越大。為此，設(shè)計(jì)時(shí)作了以下考慮：①因膨脹彎兩邊位移較大，故膨脹彎臂長(zhǎng)可以考慮適當(dāng)加長(zhǎng)。②膨脹彎附近及其他位移較大處的保冷管支架要足夠長(zhǎng)，以防止管支架滑落到結(jié)構(gòu)梁下后無(wú)法回位而拉壞管道。③膨脹彎及位移較大處的管道間距要足夠，防止管道之間的碰撞。④主管位移較大處如有支管接出，則設(shè)置支管時(shí)應(yīng)考慮柔性設(shè)置，以防止三通處因應(yīng)力集中而被拉壞。

采用CAESERⅡ軟件計(jì)算得到的卸料管道較大位移點(diǎn)理論分析結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6中可以看出，大位移點(diǎn)基本出現(xiàn)在L型結(jié)構(gòu)、Z型結(jié)構(gòu)以及π型結(jié)構(gòu)處，通過(guò)采取多次補(bǔ)償措施極大地降低了管道的位移風(fēng)險(xiǎn)。在計(jì)算結(jié)果中，卸料管道最大的橫向位移為160 mm，最大的縱向位移為128 mm。

圖6 卸料管道產(chǎn)生較大位移點(diǎn)理論分析結(jié)果

3 管道柔性設(shè)計(jì)實(shí)施效果

2013-11-09，天津LNG項(xiàng)目開(kāi)始接收站預(yù)冷工作，2013-11-11完成首次預(yù)冷。預(yù)冷過(guò)程中檢查各連接部位，對(duì)法蘭連接處進(jìn)行冷緊。整個(gè)預(yù)冷過(guò)程中降溫速度控制在30 ℃/h以?xún)?nèi)，卸料管道上下部溫差控制在50 ℃以?xún)?nèi)。

2013-11-09～11-11預(yù)冷過(guò)程卸料管道x、y、z方向位移實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1。從表1可以看出，整個(gè)預(yù)冷過(guò)程中卸料管道位移小于100 mm。

表1 預(yù)冷過(guò)程卸料管道當(dāng)日最大位移實(shí)測(cè)值 mm

4 結(jié)語(yǔ)

在天津LNG項(xiàng)目管道柔性設(shè)計(jì)中充分發(fā)揮了管道支架的作用，將大尺寸、大跨度管道分成了幾個(gè)大的區(qū)域，盡量減少支架對(duì)管道的約束，可使整個(gè)管道系統(tǒng)盡可能地自由變形，從而降低二次應(yīng)力/熱推力。

充分考慮卸料管道大跨度的實(shí)際情況，采用固定管支架分段，利用L型、Z型、π型膨脹彎進(jìn)行多次補(bǔ)償，有效消除了預(yù)冷等工況產(chǎn)生的應(yīng)力，使預(yù)冷過(guò)程中卸料管道位移小于100 mm。

管道柔性設(shè)計(jì)是控制管道位移的基礎(chǔ)，實(shí)際操作中嚴(yán)格監(jiān)控開(kāi)、試車(chē)及運(yùn)行階段的操作參數(shù)是維護(hù)管道安全運(yùn)行的核心。

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