大口徑原油管道帶壓開孔方案研究

劉曉艷，程浩力，王海峰，張曉海，李曉娜 ，王 鐸

(1.中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司，北京 100085；2.長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠，陜西延安 716000；3.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)油氣調(diào)控中心，北京 100028)

0 引言

帶壓熱開孔技術(shù)是將管件或機(jī)件連接到在役的管道或設(shè)備上，并通過在管件或機(jī)件內(nèi)鉆孔或切割，使在役管道開口的技術(shù)[1-2]，它具有不停輸?shù)奶攸c(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油工業(yè)。針對(duì)伊拉克某外輸大口徑原油管道帶壓開孔改造的情況，介紹了開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算理論并對(duì)項(xiàng)目可行性進(jìn)行了計(jì)算分析。

1 開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算理論

關(guān)于開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法，很多學(xué)者做了研究。于斐[3]研究了GB 150—1998《鋼制壓力容器》中關(guān)于壓力容器的開孔補(bǔ)強(qiáng)的規(guī)定，分析得出等面積法、極限分析法、壓力面積法等不適用于有疲勞強(qiáng)度要求的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。魏化中[4]等采用ANSYS軟件對(duì)補(bǔ)強(qiáng)圈與容器殼體的接觸進(jìn)行了模擬并分析，發(fā)現(xiàn)有接觸的有限元可以更好地預(yù)測(cè)補(bǔ)強(qiáng)圈與容器殼體間的應(yīng)力場(chǎng)分布。趙廣森等[5]對(duì)SY/T 0518—1992《油氣管道鋼制對(duì)焊管件設(shè)計(jì)規(guī)定》中開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算進(jìn)行了分析并對(duì)焊縫系數(shù)等參數(shù)給出了建議。李小瑜等[6]按照 ASME B31.8規(guī)范的要求對(duì)科威特集氣站項(xiàng)目工程干線輸氣管道進(jìn)行了熱開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

海外輸油氣管道工程項(xiàng)目中執(zhí)行廣泛的規(guī)范是ASME B31.4—2019《液體和泥漿用管道輸送系統(tǒng)》[7]和ASME B31.8—2018《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》[8]。

對(duì)于管道開孔補(bǔ)強(qiáng)的要求，在ASME B31.4—2019第404.3 節(jié)“支管連接”及ASME B31.8—2018第831.4節(jié)“焊接式支管連接的補(bǔ)強(qiáng)”有詳細(xì)規(guī)定。支管補(bǔ)強(qiáng)示意圖見圖1。

圖1 支管補(bǔ)強(qiáng)示意圖

輸油管道的三通補(bǔ)強(qiáng)根據(jù)ASME B31.4—2019第404.3節(jié)計(jì)算。需要的補(bǔ)強(qiáng)面積AR=dth，可用于補(bǔ)強(qiáng)的面積為A1+A2+A3。補(bǔ)強(qiáng)是否滿足要求的判斷標(biāo)準(zhǔn)為

A1+A2+A3>AR

(1)

式中：A1為(Th-th)d，mm2；A2為2(Tb-tb)L，mm2；A3為外加補(bǔ)強(qiáng)面積，mm2；d為集管(護(hù)板)管壁上開孔的長(zhǎng)度(支管內(nèi)徑)，mm；L為2.5Th或2.5Tb+M中的較小值，mm；M為補(bǔ)強(qiáng)厚度，mm；Tb為支管公稱壁厚，mm；tb為設(shè)計(jì)支管壁厚，mm；Th為集管(護(hù)板)公稱壁厚，mm；th為設(shè)計(jì)集管(護(hù)板)壁厚，mm。

2 原油管道帶壓開孔計(jì)算

伊拉克某油田原油外輸管道隨著產(chǎn)能的提高，面臨著擴(kuò)建的壓力，根據(jù)管道運(yùn)營(yíng)業(yè)主要求，計(jì)劃在省際交界處增加交界計(jì)量功能的站場(chǎng)。管道管徑1 067 mm，設(shè)計(jì)壓力8 MPa，設(shè)計(jì)溫度80 ℃，管線鋼采用X70鋼材(最小屈服強(qiáng)度485 MPa)，鋼管壁厚14.27 mm。為了不影響現(xiàn)有原油的外運(yùn)操作，采用帶壓開孔封堵施工方案(見圖2)。兩處帶壓開孔的施工位置在新建站場(chǎng)的上下游，距離擬站場(chǎng)圍墻外約200 m。完成帶壓開孔和封堵作業(yè)后，需要設(shè)置臨時(shí)旁通管線，確保管線正常運(yùn)行。在新建管線投產(chǎn)完畢，移除臨時(shí)旁通管線。

圖2 帶壓開孔施工方案示意圖

2.1 帶壓開孔技術(shù)

帶壓開孔面臨著動(dòng)火作業(yè)問題，針對(duì)高壓、大口徑及易燃易爆的油氣管道的帶壓開孔，在施工前，進(jìn)行方案的可行性研究是有必要的。帶壓開孔封堵方案的可行性主要從以下兩部分進(jìn)行研究：三通在線焊接可施焊壓力計(jì)算；封堵三通補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

2.2 三通在線焊接可施焊壓力計(jì)算

根據(jù)剩余壁厚和擬開孔管道的參數(shù)，由殼牌標(biāo)準(zhǔn)DEP 31.38.60.10的第3.3.3節(jié)的公式1[9]計(jì)算三通在線焊接時(shí)運(yùn)行中的管道的可施焊壓力。

(2)

式中：p為最大允許可施焊壓力，MPa；S為管道的最小屈服強(qiáng)度，MPa；t為管道最小實(shí)際壁厚與焊接熔深的差值，m；F為強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，對(duì)于原油管道取0.8；E為焊縫系數(shù)，取1；T為溫度折減系數(shù)，取0.65；D為鋼管外徑，m。

將管道的相關(guān)參數(shù)代入式(2)，計(jì)算可得三通在線焊接最大允許可施焊壓力在沒有壁厚損失的情況下為5.327 MPa。即在焊接對(duì)開三通時(shí)，應(yīng)保證管道內(nèi)壓力小于5.327 MPa，本工程實(shí)際帶壓開孔時(shí)管道運(yùn)行壓力降至5.0 MPa。

2.3 封堵三通補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

DN 1050封堵三通的參數(shù)如表1所示。

表1 封堵三通參數(shù)

當(dāng)管道內(nèi)壓力為5.327 MPa時(shí)，根據(jù)式(2)計(jì)算，集管(護(hù)板)的最小設(shè)計(jì)壁厚th為17.13 mm，支管的最小設(shè)計(jì)壁厚tb為16.73 mm。

A1=(Th-th)d=(40-17.13)×1 047=23 944.9 mm2A2=2(Tb-tb)L=2×(40-16.73)×2.5×40=4 654.0 mm2

A3=0

總的補(bǔ)強(qiáng)面積為

A1+A2+A3=28 598.9 mm2

開孔需要的補(bǔ)強(qiáng)面積:

AR=dth=1 047×17.13=17 935.1 mm2

A1+A2+A3>AR，因此可以滿足補(bǔ)強(qiáng)強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，可以得出初步的結(jié)論，熱開孔三通補(bǔ)強(qiáng)可以滿足要求，該大口徑管線可以采用帶壓開孔封堵的施工方案。另外需要注意的是，臨時(shí)旁通線過長(zhǎng)時(shí)，需要對(duì)旁通管線能否滿足負(fù)荷及穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，以判斷管線擾動(dòng)是否影響旁通管線的穩(wěn)定運(yùn)行。