王峰 杰瑞

【摘要】清管設(shè)施是海洋石油及陸地油田長(zhǎng)輸管道系統(tǒng)的常用清管設(shè)備，其所處位置往往是不同規(guī)范的分界處，以至于該設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)——清管器收發(fā)筒的設(shè)計(jì)表述各不相同，甚至有所矛盾，本文通過(guò)分析各規(guī)范的做法以及所用計(jì)算理論，結(jié)合示例計(jì)算分析，給出了該類裝置設(shè)計(jì)的推薦做法。

【關(guān)鍵詞】清管器收發(fā)筒 管道 壓力容器 壁厚計(jì)算

1 引言

在海洋石油及陸地石油生產(chǎn)的長(zhǎng)輸管道系統(tǒng)中，清管設(shè)施是用于清管作業(yè)必不可少的設(shè)備，位于長(zhǎng)輸管道或者海管的兩端，主要用于長(zhǎng)輸管道清管器的發(fā)送和接收。在海洋石油生產(chǎn)中，清管設(shè)施安裝在石油生產(chǎn)平臺(tái)、FPSO或者陸地終端上，而在陸地油田的長(zhǎng)輸管道系統(tǒng)中，該設(shè)備一般安裝在場(chǎng)站內(nèi)。

清管設(shè)施的主體結(jié)構(gòu)是清管器收發(fā)筒，其它部分包括管道、閥門(mén)、儀表、底座等附屬設(shè)施。長(zhǎng)期以來(lái)陸上有關(guān)清管設(shè)施的設(shè)計(jì)沒(méi)有詳細(xì)的設(shè)計(jì)規(guī)范作指導(dǎo)，而海洋石油行業(yè)同樣沒(méi)有明確的相關(guān)規(guī)定。而不同清管設(shè)施的設(shè)計(jì)差異主要表現(xiàn)在清管器收發(fā)筒的設(shè)計(jì)和制造上，目前，國(guó)內(nèi)外清管設(shè)施的收發(fā)筒設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要有兩類：一類是壓力管道設(shè)計(jì)規(guī)范，如ASME B31.3^[1]、GB 50316^[2]等，另一類是壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 150^[3]、ASME BPVC VIII^[4]，下面就清管設(shè)施的使用功能，對(duì)各種規(guī)范的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行分析，以便明確清管設(shè)施的設(shè)計(jì)方法。

2 清管器收發(fā)筒的結(jié)構(gòu)

清管器收發(fā)筒的筒體結(jié)構(gòu)通常包含四部分：入口段、過(guò)渡段、增大段和快開(kāi)盲板（見(jiàn)圖1）。

入口段的內(nèi)徑要求與外輸管道的內(nèi)徑等同；增大段的內(nèi)徑通常比外輸管道內(nèi)徑大2～4英寸，以便清管器的順利裝入和取出，增大段的長(zhǎng)度一般根據(jù)清管器的尺寸來(lái)確定；過(guò)渡段用于連接入口段和增大段。其它與收發(fā)筒相連接的接口和管道附件通常采用標(biāo)準(zhǔn)壓力等級(jí)的三通和管座來(lái)完成，也可以采用開(kāi)孔加補(bǔ)強(qiáng)的方式完成。

3 清管器收發(fā)筒的設(shè)計(jì)分析

3.1 我國(guó)規(guī)范中的規(guī)定

在我國(guó)陸上油田中，無(wú)論輸油管道規(guī)范 GB 50253^[5]還是輸氣管道規(guī)范GB 50251^[6]均將清管設(shè)施定義為管道附件，而在工業(yè)管道規(guī)范GB 50316和GB/T 20801^[7]中則沒(méi)有任何有關(guān)清管設(shè)施的說(shuō)明。

輸油管道規(guī)范GB 50253中并沒(méi)有對(duì)收發(fā)筒的設(shè)計(jì)做出明確的規(guī)定，但由于清管設(shè)施通常布置在站內(nèi)，因而根據(jù)GB 50253中有關(guān)站內(nèi)設(shè)施的規(guī)定，管線材料的許用應(yīng)力按照ASME B31.3選取，容器材料的許用應(yīng)力按照GB 150選取，這也就間接地表明，站內(nèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)須按照ASME B31.3和GB 150進(jìn)行。同時(shí)，GB 50253中明確要求，清管設(shè)施與管道一同進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)的壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.5倍，這也與管道設(shè)計(jì)規(guī)范是一致的，而對(duì)于壓力容器而言，強(qiáng)度試驗(yàn)壓力通常為設(shè)計(jì)壓力的1.25倍。因而按照壓力容器設(shè)計(jì)的清管器收發(fā)筒在試壓過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力超過(guò)0.9倍屈服強(qiáng)度的現(xiàn)象，從這一方面而言，采用壓力管道規(guī)范設(shè)計(jì)清管器收發(fā)筒與長(zhǎng)輸管道規(guī)范保持了更好的一致性。

而在輸氣管道規(guī)范GB 50251中則明確規(guī)定收發(fā)筒及快開(kāi)盲板的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足清管設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定SY/T 0533和快速開(kāi)關(guān)盲板SY/T 0556的規(guī)定，因而清管器收發(fā)筒應(yīng)按GB 150設(shè)計(jì)和制造，但是對(duì)于SY/T 0533，2002年國(guó)家經(jīng)貿(mào)委就已經(jīng)下文廢止使用，至今沒(méi)有新的規(guī)范對(duì)清管設(shè)施設(shè)計(jì)做出規(guī)定。但由于清管設(shè)施設(shè)置在站內(nèi)，GB 50251中對(duì)于站內(nèi)管線水壓試驗(yàn)的壓力要求為1.5倍設(shè)計(jì)壓力，盡管規(guī)范中沒(méi)有明確提出管線與清管設(shè)施一同進(jìn)行水壓試驗(yàn)，但從其功能及GB 50253的做法來(lái)分析，清管設(shè)施的強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)與管道一同進(jìn)行，這就會(huì)導(dǎo)致按壓力容器規(guī)范設(shè)計(jì)的清管設(shè)施在試壓過(guò)程中同樣會(huì)產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力超過(guò)0.9倍屈服強(qiáng)度的現(xiàn)象。

我國(guó)目前陸地長(zhǎng)輸管道的設(shè)計(jì)中，清管設(shè)施的主筒體一般按照GB 150進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于清管設(shè)施的設(shè)計(jì)和制造也按照特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范的要求執(zhí)行。

3.2 美標(biāo)規(guī)范中的規(guī)定

在美標(biāo)規(guī)范中，涉及到清管設(shè)施（scraper trap）的規(guī)范主要是油氣長(zhǎng)輸管道規(guī)范，包括ASME B31.4^[8]和ASME B31.8^[9]。這些規(guī)范中，既規(guī)定了陸上油氣輸送管線的相關(guān)要求，也對(duì)海上油氣輸送管線的設(shè)計(jì)和制造等進(jìn)行了規(guī)定。對(duì)于陸上清管設(shè)施的規(guī)定，快開(kāi)盲板（quick opening closure）需要按照ASMEVIII Div 1的要求設(shè)置安全連鎖裝置，其它部分如閥門(mén)、管道、管件等均按照相應(yīng)長(zhǎng)輸管道規(guī)范中的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于快開(kāi)盲板的端蓋，如果采用標(biāo)準(zhǔn)的焊接管帽（weld cap），只需按照ASME B16.9和MSS SP75設(shè)計(jì)和選用，對(duì)于其它結(jié)構(gòu)，如球形、錐形、平面等端蓋形式，需要按照ASME BPVC SECTION VIII Div 1進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)，但材料的許用應(yīng)力仍然需按照長(zhǎng)輸管道規(guī)范選取。

但美標(biāo)規(guī)范對(duì)于海上清管設(shè)施的設(shè)計(jì)并沒(méi)有明確的規(guī)定。按照國(guó)際上通行做法，海洋石油生產(chǎn)平臺(tái)上的管道一般采用ASME B31.3進(jìn)行設(shè)計(jì)，海管及海管立管通常采用ASME B31.8、B31.4、ISO 13623^[10]等規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。海管立管是平臺(tái)管道與海管的過(guò)渡段，該過(guò)渡部分的界定在ASME B31規(guī)范中均沒(méi)有明確規(guī)定，而是要求根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行確定。僅在API 14E^[11]中給出了推薦的界面，即海管立管與平臺(tái)管線之間靠近立管的最后一個(gè)截?cái)嚅y作為平臺(tái)管線與海管立管的分界點(diǎn)。在海洋石油油田處理設(shè)施的實(shí)際生產(chǎn)中，無(wú)論國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，通常按照API 14E的推薦，清管設(shè)施的設(shè)計(jì)按照ASME B31.3執(zhí)行，如圖1中所示。

從目前國(guó)外清管器收發(fā)筒的使用實(shí)踐來(lái)看^[12]，其設(shè)計(jì)和制造既有按照ASME B31.4和B31.8規(guī)范執(zhí)行的，也有按照工廠管道規(guī)范ASME B31.3和壓力容器規(guī)范ASME BPVC執(zhí)行的，但是一些用于長(zhǎng)輸管道中的高屈服強(qiáng)度的材料在ASME B31.3和ASME BPVC中并沒(méi)有出現(xiàn)。

從以上分析可以得出，清管器收發(fā)筒既有采用管道規(guī)范也有采用壓力容器規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)的，下面將以一個(gè)算例為基礎(chǔ)對(duì)各種規(guī)范的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

5 結(jié)論

綜合以上分析，結(jié)合當(dāng)前的實(shí)際使用情況，以及作者自身工程實(shí)踐過(guò)程中遇到的做法，得到如下結(jié)論及建議：

（1）從計(jì)算理論上來(lái)看，無(wú)論采用壓力容器還是管道規(guī)范設(shè)計(jì)清管器收發(fā)筒都是可靠的，但快開(kāi)盲板安全聯(lián)鎖裝置的設(shè)計(jì)和制造需要按照壓力容器規(guī)范執(zhí)行。

（2）基于清管器收發(fā)筒的結(jié)構(gòu)，在筒徑不大，可以采用管材和標(biāo)準(zhǔn)系列的管件情況下，采用管道規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅可以保持與長(zhǎng)輸管道規(guī)范的一致性，而且在設(shè)計(jì)、計(jì)算、制造、檢驗(yàn)等方面可大大降低工作量，甚至可以取消壓力容器中必備的安全泄放裝置，節(jié)約成本。

（3）對(duì)于海洋石油領(lǐng)域清管設(shè)施的設(shè)計(jì)，推薦采用工業(yè)管道設(shè)計(jì)規(guī)范。主要原因如下：一方面，海上清管器收發(fā)筒尺寸通常較小，可以直接采用無(wú)縫管和標(biāo)準(zhǔn)管件；另一方面，清管器與生產(chǎn)設(shè)施直接相連，其所承受的載荷工況與生產(chǎn)設(shè)施較為接近，與立管和海底管道的載荷狀態(tài)差異較大。而且，目前在海洋石油設(shè)計(jì)中，清管設(shè)施的設(shè)計(jì)基本均采用工藝管道規(guī)范ASME B31.3進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（4）對(duì)于我國(guó)陸地油氣田清管器收發(fā)筒設(shè)施的設(shè)計(jì)，由于收發(fā)筒主要設(shè)置在站內(nèi)，按照管道設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)是可行的，而且鑒于采用管道規(guī)范設(shè)計(jì)制造較按容器規(guī)范設(shè)計(jì)制造更為經(jīng)濟(jì)，推薦采用管道規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。

（5）上述章節(jié)的壁厚計(jì)算僅是按照內(nèi)壓設(shè)計(jì)計(jì)算的壁厚，實(shí)際工況下還要考慮其它外部載荷如熱應(yīng)力、軸向力矩、風(fēng)、地震等，需要在完成設(shè)備和管線布置之后進(jìn)行具體的應(yīng)力分析，以便校核各部分強(qiáng)度，并根據(jù)應(yīng)力校核的結(jié)果確定最終的筒體厚度和補(bǔ)強(qiáng)要求。

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