基于CAESAR II的大尺寸離心泵進出口管線設計方案研究

周珊，雷俊杰，王學翠，王春霞，紀志遠

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

離心泵被海上油氣田平臺項目廣泛運用，主要用于輸送原油、消防水、生產水等流體。離心泵是一種敏感設備，為保證離心泵可以長周期的安全、穩(wěn)定運行，需要對泵的進出口管線進行應力計算，控制離心泵進出口承受的外載，故對泵進出口管線有較高柔性要求。

渤海區(qū)域某海洋平臺，生產水緩沖罐與下游生產水增壓泵布置在同層，如圖1所示，由于布置空間影響，管道柔性不夠，原始布置方案泵進出口受力超標。為保證管道及設備的安全運行，需對泵進出口管線進行優(yōu)化，本文基于CAESAR II軟件，對大尺寸離心泵及進出口管線建立準確的計算模型，通過優(yōu)化泵進出口管線走向，進行方案對比，得到更安全有效的布置方案。

圖1 生產水泵組區(qū)布置三維圖

1 系統(tǒng)描述

本系統(tǒng)有三臺生產水增壓濾器、三臺生產水增壓泵及一臺生產水緩沖罐組成，泵進出口管嘴為10”，泵進口前有大小頭，管嘴許用值取API 610的2倍，管線材質、工藝參數見表1。根據可能發(fā)生的工況組合，分為三種工況進行分析，即：（a）A、B泵工作，C泵備用：（b）A、C泵工作，B泵備用：(C）B、C泵工作，A泵備用。備用泵的操作溫度為設計溫度的一半，設計壓力為101kPa，以生產水增壓濾器前球閥和生產水增壓泵后球閥為分界點。本文以工況（b）為例進行分析研究。

表1 管線材質、工藝參數

2 設計方案

方案一：原始布置方案

方案一為管線原始的直連布置方案，如圖2所示，由于大尺寸管線剛性大柔性小，在工況（b）條件下，管線最大二次應力比為244.9%，操作狀態(tài)下的管嘴校核結果如表2所示。其中C泵受到生產水緩沖罐管口固定約束影響最大，其熱脹推力導致管口的軸向載荷遠超許用載荷。徑向載荷超標是因為閥門管線的重量由管口承擔，要使重量均勻分布，則需要改變管道系統(tǒng)柔性。

圖2 原始布置方案

表2 方案一管嘴載荷

方案二：膨脹節(jié)方案

方案二在濾器進口前采用膨脹節(jié)，增加柔性、節(jié)省空間，見圖3。波紋補償器具有較大位移補償能力，具有耐壓高、彈性好、位移量大、吸振降噪效果好、安裝方便等特點，在鋼鐵、石化等行業(yè)的動力管道中被廣泛應用。

圖3 膨脹節(jié)方案應力模型

通過對管道各個工況的計算、分析，確保其各個節(jié)點的應力值小于許用應力值，而且該管道上的支架在各個工況下都不會產生失重，荷載分配均勻。在這樣的前提下，計算出的結果顯示管道在各種工況下對設備接口的計算推力和力矩小于設備廠家給出的膨脹節(jié)參數，見表3。經過計算分析對比，膨脹節(jié)的管道布置能滿足系統(tǒng)安全性要求。

表3 方案二管嘴載荷

方案三：π形彎方案

方案三通過π形彎方案，改變管線走向，以此吸收熱脹位移，減小熱脹推力，應力模型見圖4。對于大尺寸的工藝系統(tǒng)，管道本體相比較小尺寸管道，柔性更差，管道、閥門、法蘭的重量都相對較高，會產生較大摩檫力，管口的徑向力和側向推力都會受到影響。多臺泵并排放置的時，因泵間管道產生的熱脹推力，相互影響泵口的受力，這也是泵口受力超標的主要原因，需要增加泵間管道的柔性。根據計算結果，管道各支架受力較為合理，最大二次應力比為24%，符合應力計算要求。

圖4 增加管道自身柔性方案應力模型

支架與鋼結構直接接觸，摩擦系數為0.3，若支架和鋼結構間放置4mm的PTFE墊板，摩擦系數降為0.1，在修改摩擦系數后，軸向力的值有顯著減小，且在許用值范圍以內。通過管道自然補償完全能吸收管道位移并滿足設備接口的推力和力矩要求，結果見表4。

表4 方案三管嘴載荷

綜上所述，得到各方案的泵進口載荷對比見圖5所示。

圖5 泵進口載荷方案對比

3 總結

通過以上三種方案的計算、對比，方案二、方案三均滿足泵組安全運行要求，且各項計算結果均滿足要求。

膨脹節(jié)是管道中的薄弱環(huán)境，當受流通介質的流向、流態(tài)和物質形態(tài)等因素，會對膨脹節(jié)的運行造成影響,嚴重時甚至會影響整個管路的安全運行。但海洋平臺處于鹽霧、潮氣等環(huán)境，產生的腐蝕會嚴重影響材料的力學性能，且膨脹節(jié)的使用壽命較短，海上施工環(huán)境惡劣，更換時需要停止作業(yè)，會造成嚴重經濟損失，故不推薦使用方案二。

管道的自然補償即通過增加彎頭的數量，能增加管道的柔性，將管道布置成一個有較好柔性的空間幾何形狀，其具有的柔性可以補償自身的熱脹和端點位移。這種方法在石化工程中被普遍使用。在滿足操維空間的前提下，由于自然補償構造簡單、運行可靠、投資少，故推薦使用方案三。

經過渤海某平臺管道布置設計研究，優(yōu)化大尺寸泵進口管線設計，同時結合海洋平臺的特殊環(huán)境，如：甲板空間有限、海上腐蝕環(huán)境等特點，建議海上平臺大尺寸泵組配管設計如下：

（1)在泵管道前期設計時充分考慮增加管道的柔性，設備與泵口應避免直接連接，路徑考慮L形、U型，并留有足夠的空間，便于根據受力情況對管線進行調整；

（2)在條件允許的情況下，優(yōu)先考慮管道自然補償來增加管道柔性：管徑較大，空間受限時，可以考慮采用波紋管膨脹節(jié)來增加管道柔性。