液化天然氣低溫管道支架位移及扭轉(zhuǎn)對(duì)其受力的影響

王志杰

(中海福建天然氣有限責(zé)任公司生產(chǎn)運(yùn)行部,福建 莆田 351100)

引 言

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有LNG接收站的生產(chǎn)工藝流程，主要由各種動(dòng)設(shè)備及低溫工藝管道組成，低溫工藝管道是接收站關(guān)鍵組成部分。某LNG接收站已連續(xù)運(yùn)營(yíng)多年，部分LNG低溫工藝管道存在管道支架位移及扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，不僅會(huì)對(duì)管道的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響，也會(huì)給接收站的生產(chǎn)帶來(lái)了一定的安全隱患。因此，有必要對(duì)低溫管線在該種工況下的受力進(jìn)行分析和處理。

隨著生產(chǎn)建設(shè)不斷發(fā)展,管網(wǎng)鋪設(shè)愈益增多，在管道設(shè)計(jì)中,固定支架所承受力的計(jì)算是管道設(shè)計(jì)中的主要內(nèi)容之一[1]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)管道的支架受力情況進(jìn)行了相關(guān)研究。史慶文[2]結(jié)合兩個(gè)固定支架損壞事故的工程實(shí)例,對(duì)管道系統(tǒng)改變引起的軸向推力變化和不平衡內(nèi)壓力對(duì)固定支架的受力情況進(jìn)行分析,得出事故的原因,了解管道軸向推力變化情況。唐鴻[3]對(duì)管道架空支架所受全部荷載進(jìn)行統(tǒng)計(jì),完成了荷載的計(jì)算方法和荷載組合,得出支架所受力之間的關(guān)系,有利于以后的簡(jiǎn)化及快速設(shè)計(jì)。

本文以某連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)多年的LNG接收站低溫管道為例，考慮其在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，管線局部管道支架出現(xiàn)較大的位移或扭轉(zhuǎn)變形，對(duì)管線建立管道應(yīng)力分析模型，根據(jù)運(yùn)行現(xiàn)狀，利用應(yīng)力分析軟件，計(jì)算操作工況下支架受力和移位，與現(xiàn)場(chǎng)查勘情況進(jìn)行比對(duì)分析，以判斷現(xiàn)場(chǎng)管道的使用安全性。本文的相關(guān)結(jié)果以期對(duì)工程管線在承受各載荷作用下的機(jī)械性能和完整性的分析提供一定的參考價(jià)值。

1 計(jì)算模型及結(jié)果

本文以某連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)多年的LNG接收站管道單線圖作為應(yīng)力計(jì)算的模型條件，所涉及管道主要特性參數(shù)有管道材料、管道外徑、管道壁厚、保溫厚度、保溫密度、流體密度、操作溫度及操作壓力。

應(yīng)用CAESAR Ⅱ軟件計(jì)算操作工況下管道的二次應(yīng)力、管道支吊架的受力、管道扭轉(zhuǎn)、支架移位，建立管線的單線計(jì)算模型。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，管道在編號(hào)PS-1716、PS-1717、PS-1718的支架處發(fā)生扭轉(zhuǎn)情況較嚴(yán)重，因此，本文重點(diǎn)分析這3個(gè)支架位置處的受力情況。根據(jù)管線服役環(huán)境，通過(guò)支撐類型、約束自由度、所受荷載等相關(guān)參數(shù)計(jì)算，得到管道對(duì)應(yīng)支座上的荷載見(jiàn)表1和第101頁(yè)表2所示。

表1 支架荷載表

模擬操作工況下，管道在PS-1717(節(jié)點(diǎn)170)處為導(dǎo)向支架，只有軸向(Y方向)位移，管道產(chǎn)生極小角度的扭轉(zhuǎn)和彎曲，而PS-1716和PS-1718為滑動(dòng)支架，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)有軸向(Y方向)和徑向(X方向)的位移，管道有極小角度的扭轉(zhuǎn)和彎曲。

表2 管道位移表

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，PS-1716、PS-1717和PS-1718處管支架出現(xiàn)較大角度的扭轉(zhuǎn)，底板一側(cè)上翹，在理想情況下，管道會(huì)發(fā)生如圖1所示的變化(圖1中實(shí)線表示安裝工況，虛線表示理想操作工況)。

圖1 管線位置變化情況

對(duì)管道在PS-1717處的受力進(jìn)行分析，計(jì)算所得結(jié)果如圖2所示。從應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以看出，管道在PS-1717處對(duì)管架產(chǎn)生Fx=5 869 N的力。將管道、保溫層、管托看成一個(gè)整體，在X方向上管托底座受到管架導(dǎo)向擋塊的反作用力F1=-5 869 N，由于管托底座與管中心之間有約430 mm的距離(H)，因此產(chǎn)生力矩M，使得管道發(fā)生了扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。實(shí)際上，管道、保溫層、管托之間是通過(guò)管夾螺栓的上緊力相結(jié)合的。管道與保溫層、管托之間在力矩M的作用下，管道的扭轉(zhuǎn)趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣艿琅c管托之間相對(duì)的扭轉(zhuǎn)趨勢(shì)。管道與保溫層、管托之間存在摩擦力f，在f的作用下產(chǎn)生力矩m，作用方向與M相反。當(dāng)m=M時(shí)管道與管托之間不會(huì)發(fā)生相對(duì)的扭轉(zhuǎn)。

在管道低溫(-155 ℃)工況下，管道與保溫層、管托之間由于冷縮摩擦力f減小，摩擦力產(chǎn)生的力矩m減小，同時(shí)，由于設(shè)備開(kāi)停對(duì)管道產(chǎn)生一定的沖擊和振動(dòng)，M出現(xiàn)瞬時(shí)增大，一旦m

對(duì)此，在原設(shè)計(jì)模型中將管道PS-1717處模擬為間隙50 mm的徑向限位。通過(guò)計(jì)算該模型管道的二次應(yīng)力系數(shù)最大為38%，附合規(guī)范要求[4-5]，支架荷載見(jiàn)表3。

圖2 PS-1717支架受力圖

圖3 管線實(shí)際模型分析情況

表3 荷載表

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的原因是由于管道受力點(diǎn)的不同而產(chǎn)生了扭矩，從而造成扭轉(zhuǎn)。針對(duì)此原因，本文提出如圖4所示的解決方案以防止管支架繼續(xù)擴(kuò)大變形。當(dāng)管道處于圖4所示的狀態(tài)下時(shí)，其受力平衡，且管道受到的內(nèi)力與支架的反作用力的作用點(diǎn)位于同一直線上，因此管道不受扭矩作用，此時(shí)僅需將管托進(jìn)行回正處理。

圖4 防止管托架繼續(xù)變形設(shè)計(jì)方案

3 結(jié)語(yǔ)

本文以某連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)多年的LNG接收站為例，利用應(yīng)力分析軟件，根據(jù)實(shí)際工況對(duì)其低溫管線建立應(yīng)力分析模型，計(jì)算管道操作工況下管支架的受力和移位情況，并與現(xiàn)場(chǎng)查勘情況進(jìn)行比對(duì)分析，以判斷現(xiàn)場(chǎng)管道的使用安全性。同時(shí)，對(duì)管道支架產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)或偏移的原因進(jìn)行了分析，提出解決方案，以期為工程實(shí)踐提供一定的參考價(jià)值。