施輝明 郭德科 劉春發(fā) 鄭 鑫

1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041；2.中國石油西南油氣田公司川西北氣礦，四川 江油 621700；3.中國石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠，重慶 401220

0 前言

從氣田采出的天然氣中常含有水和液烴，在集輸管道中呈氣液兩相流動，管道中由于存在氣液比，可能會形成段塞流。段塞流的形成機(jī)理主要有四方面：層狀流氣液界面上的液體波擴(kuò)大到足以充滿整個管徑時，層狀流消失，段塞流出現(xiàn)；由于地形起伏，低洼處的液體阻礙了氣體流動，壓力升高直至被沖出低洼處，形成段塞流；管道氣量增大，管內(nèi)液體減少，多余液體被排出，可能形成段塞流；清管時，管道內(nèi)的全部液體被清管器推動，引起強(qiáng)烈的液體段塞流［1-2］。

管道內(nèi)多相流體呈段塞流時，管道壓力、管道出口氣液瞬時流量波動很大，并伴有強(qiáng)烈振動，破壞管道及與管道相連的設(shè)備，使管道下游的工藝裝置難以正常工作。在管道末端設(shè)置段塞流捕集器，不但能起到氣液分離的作用，而且它還是吸收液體段塞流的緩沖器。

1 段塞流捕集器結(jié)構(gòu)

段塞流捕集器主要是通過降低含液天然氣的流動速度，使天然氣與液體在入口段達(dá)到分層流動，然后利用氣體和液體之間的質(zhì)量差異，在重力作用下使微小液滴沉降并進(jìn)行分離。段塞流捕集器包括容器式和多管式兩種類型。容器式段塞流捕集器適用于液塞體積?。ㄈ?00m3）、安裝場地小的場合［1］；多管式段塞流捕集器適用于液塞體積大、安裝場地大的場合。容器式段塞流捕集器結(jié)構(gòu)型式見圖1。

圖1 容器式段塞流捕集器結(jié)構(gòu)型式

2 容器式段塞流捕集器設(shè)計

容器式段塞流捕集器按TSG《固定式壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》劃分為III類壓力容器，設(shè)計遵循GB 150《壓力容器》、JB/T 4731-2005《鋼制臥式容器》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。實(shí)際設(shè)計時應(yīng)根據(jù)設(shè)備具體情況考慮其他因素。

2.1 選材

從工作條件的苛刻性、設(shè)備重要性及相關(guān)設(shè)計方法的準(zhǔn)確性等方面考慮，容器式段塞流捕集器的選材在滿足材料標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，應(yīng)增加以下規(guī)定保證設(shè)備材料質(zhì)量：

a）鋼板應(yīng)逐張進(jìn)行100%超聲檢測。

b）鋼板、鍛件應(yīng)按GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法規(guī)定》進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果應(yīng)滿足A類、B類、C類、D類夾雜物均≤2級，且四者總和≤4級的規(guī)定。

c）鋼板、鍛件按GB 226-1991《鋼的低倍組織及缺陷酸腐蝕試驗(yàn)法》規(guī)定進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，級別評定按GB/T 1979-2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評級圖》規(guī)定，結(jié)果應(yīng)滿足一般疏松≤2級，中心疏松≤2級，偏析≤1.5級，不允許鍛件內(nèi)部存在白點(diǎn)、裂紋、氣孔等缺陷。

d）鋼板、鍛件按GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》規(guī)定，結(jié)果應(yīng)為6級以上晶粒度。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

a）設(shè)備安裝應(yīng)考慮一定的傾斜度，可調(diào)整設(shè)備基礎(chǔ)高度差來實(shí)現(xiàn)。設(shè)備鞍座底部要設(shè)置調(diào)節(jié)板，同時為了保證現(xiàn)場管線的水平或垂直安裝，設(shè)備上的接管安裝帶應(yīng)有相同的反向傾斜度。

b）考慮設(shè)備熱膨脹位移，設(shè)備鞍座僅設(shè)置一個固定端（一般設(shè)置在中間位置），其余為滑動鞍座。

c）筒體內(nèi)部可能產(chǎn)生壓差，需設(shè)置一定數(shù)量的氣體平衡口。

d）液位計設(shè)置需考慮設(shè)備傾斜后筒體內(nèi)部液位高度的差異。

e）在設(shè)備最低液位處應(yīng)設(shè)檢修人孔。

2.3 強(qiáng)度計算

2.3.1 載荷

容器式段塞流捕集器強(qiáng)度設(shè)計除考慮操作、試壓工況下的溫度、壓力、地震等載荷外，還應(yīng)考慮管道段塞流沖擊載荷、地基沉降不均勻引起的筒體應(yīng)力變化等。

對因流體段塞流形成的沖擊載荷，應(yīng)考慮在設(shè)備入口管線上增加錨固墩或彎頭進(jìn)行緩沖。對地基沉降不均勻引起的風(fēng)險，一要嚴(yán)格限制基礎(chǔ)沉降差異值，現(xiàn)場設(shè)置設(shè)備基礎(chǔ)沉降監(jiān)測線，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)及時調(diào)整鞍座墊板，消除基礎(chǔ)沉降差［3］；二要引入安全系數(shù)的方法，將鞍座反力和彎矩乘以1.2～1.4后進(jìn)行校核［4］，增加設(shè)備安全系數(shù)。

2.3.2 零部件強(qiáng)度計算

筒體、封頭等零部件強(qiáng)度計算主要依據(jù)GB 150《壓力容器》；管件部分如等徑三通、彎頭強(qiáng)度計算主要依據(jù)GB 50251《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》。

2.3.3 多鞍座計算

容器式段塞流捕集器由于設(shè)備較長，如采用雙鞍座支撐，鞍座間距和筒體中間截面的擾度大，會產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力；如單純靠增加筒體厚度來降低應(yīng)力水平，必然影響設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性。采用多鞍座結(jié)構(gòu)，則會改善受力情況，并抑制容器的振動。

目前多鞍座的計算方法主要有：

a）歐盟壓力容器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)EN 13445《非直接受火壓力容器》計算方法，是目前所有規(guī)范中唯一對多鞍座容器有明確計算的［5］。此方法針對的是常用鞍座均勻分布的多鞍座臥式容器。對非均勻分布的多鞍座臥式容器的設(shè)計，仍無可靠的設(shè)計方法可遵循。

b)照材料力學(xué)來倒推彎矩計算公式，然后參照ZICK方法來校核（L.P.Zick于1951年提出的半理論半實(shí)驗(yàn)方法）。將多鞍座臥式容器簡化為受均布載荷的靜不定梁，利用三彎矩理論來計算鞍座處的彎矩和支座反力，采用ZICK提出的以受均布載荷外伸簡支梁的彎矩和剪力分析為基礎(chǔ)，在某些假設(shè)和理論推導(dǎo)下得出近似符合實(shí)測數(shù)據(jù)的半理論半實(shí)驗(yàn)方法。此方法較煩瑣，且過于保守。

c)有限元理論分析。隨著有限元理論在壓力容器應(yīng)力分析設(shè)計方面的深入應(yīng)用，為復(fù)雜受力的壓力容器結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定性強(qiáng)度校核提供了途徑。工程中對容器式段塞流捕集器有限元理論分析的結(jié)果為：由鞍座引起的最大局部應(yīng)力為周向應(yīng)力，位于鞍座中心處的筒體外壁，仍處于鞍座邊角處局部應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，剪切應(yīng)力影響較??；鞍座局部應(yīng)力區(qū)域內(nèi)較高的局部應(yīng)力是薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的綜合體現(xiàn)。 鞍座位置對容器中最大應(yīng)力值及所在位置有較大的影響；當(dāng)圓筒被封頭加強(qiáng)，鞍座平面上最大軸向應(yīng)力“不一定”出現(xiàn)在橫截面最高點(diǎn)或最低點(diǎn)［6］。

臥式容器中的應(yīng)力狀態(tài)和位移受多種因素支配，如容器尺寸、鞍座形狀大小和位置、載荷等?；赯ICK方法和EN 13445標(biāo)準(zhǔn)的多鞍座設(shè)計方法都沒有考慮以上因素，所以不可能獲得鞍座—筒體相互作用區(qū)域內(nèi)的精確局部應(yīng)力結(jié)果。有限元理論分析計算的設(shè)計方法是解決此類問題的最適宜途徑。

3 制造、檢驗(yàn)及驗(yàn)收

設(shè)備制造、檢驗(yàn)及驗(yàn)收的要求按GB 150《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，針對設(shè)備高壓、大型化、腐蝕及載荷等特點(diǎn)，應(yīng)補(bǔ)充下列要求：

a）設(shè)備所用鍛件應(yīng)進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。

b）設(shè)備應(yīng)分段進(jìn)行爐內(nèi)整體熱處理，重疊長度不應(yīng)少于1 500mm；現(xiàn)場組焊焊縫要求在進(jìn)行100%無損檢測合格后，再進(jìn)行局部熱處理，焊縫每側(cè)加熱帶的寬度不應(yīng)小于筒體壁厚的2倍，加熱區(qū)外應(yīng)采取防止產(chǎn)生有害溫度梯度的保護(hù)措施。

c)熱處理后進(jìn)行上下層組裝，在保證法蘭密封可靠的前提下，通過設(shè)置調(diào)節(jié)墊板進(jìn)行高度調(diào)節(jié)。

d）設(shè)備在現(xiàn)場傾斜1°安裝，可通過調(diào)整基礎(chǔ)高差實(shí)現(xiàn)。

e）設(shè)備現(xiàn)場安裝的直線度偏差不得超過總長度1/1 000，且不超過30mm。

4 結(jié)論

采用有限元理論分析計算設(shè)計的容器式段塞流捕集器已大量應(yīng)用于工程建設(shè)中，實(shí)踐證明不僅設(shè)備安全可靠，同時減小了設(shè)備壁厚，節(jié)約了工程投資，值得借鑒。

［1］楊 勇，杜通林，李曉東，等.新型高效旋流段塞流捕集器優(yōu)化設(shè)計［J］.天然氣與石油，2011，29（5）：9-14.Yang Yong，Du Tonglin，Li Xiaodong， et al.Optim ization Design of New High Efficiency Hydrocyclone Slug Flow Trap［J］.NaturalGasand Oil，2011，29（5）：9-14.

［2］王 磊，文海蓉，楊春林.氣液混輸管路段塞流的設(shè)計對策［J］.天然氣與石油，2008，26（3）：6-9.W ang Lei，W en Hairong，Yang Chunlin.Design on Slug Flow Two-phase Transportation Process［J］.Natural Gas and O il，2008，26（3）：6-9.

［3］馮志力，陳良才，劉根凡.關(guān)于三鞍座臥式容器設(shè)計和計算規(guī)范的探討 ［J］.化工機(jī)械，2003，30（5）：272-275.Feng Zhili，Chen Liangcai，Liu Genfan.Discussion on Three Saddle Horizontal Vessel Design and Calculation Specification［J］.Chem ical Engineering&Machinery，2003，30 （5）：272-275.

［4］詹德威.管式多支座段塞流捕集器的設(shè)計［J］.油氣田地面工程，2007，26（7）：10.Zhan Dewei.Pipe w ith Multi-suportsSlug Flow Trap Design［J］.O il-Gasfield Surface Engineering，2007，26（7）：10.

［5］陳志偉，壽比南，鄭津洋.大型多鞍座臥式容器設(shè)計方法分析 ［J］.壓力容器，2005，22（11）：20-23.Chen Zhiwei，Shou Binan，Zheng Jinyang.Analysisof the Design Method of Horizontal VesselsSupported on Multi-saddles［J］.Pressure VesselTechnology，2005，22（11）：20-23.

［6］顧玉鋼，姚佐權(quán).非等距多鞍座臥式壓力容器的有限元分析［J］.化工設(shè)備與管道，2010，47（6）：22-26.Gu Yugang，Yao Zuoquan.Finite Element Analysis for Horizontal Vesselw ith MultiUnequal-span Saddles［J］.ProcessE-quipment＆ Piping，2010，47（6）：22-26.