工藝管線柔性分析的規(guī)范管理

程君（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東　東營　257026）

工藝管線柔性分析的規(guī)范管理

程君（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營257026）

鑒于柔性分析在工藝管線設(shè)計(jì)中的重要性和不規(guī)范設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，結(jié)合國外良好工程實(shí)踐，重點(diǎn)從設(shè)計(jì)目的、保證手段、具體措施和實(shí)施效果等方面，闡述了規(guī)范管理的要點(diǎn)；并提出了一體化、專業(yè)化的設(shè)計(jì)解決方案。

工藝管線；柔性分析；實(shí)踐；規(guī)范化

工藝管道系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的柔性，以防止由于熱膨脹或收縮或管道支架和管端的位移，而產(chǎn)生有害的應(yīng)力、變形、損壞或泄露。柔性分析就是確定管道系統(tǒng)內(nèi)的柔性要求和保證管道系統(tǒng)符合這些要求［1］。柔性分析在國外工藝管線設(shè)計(jì)中已形成了完善的體系；而國內(nèi)設(shè)計(jì)往往不進(jìn)行柔性分析，或即使分析，也存在不全面、不深入、不跟蹤的弊端，無法真正體現(xiàn)設(shè)計(jì)的實(shí)際價(jià)值。

下面結(jié)合國外良好工程實(shí)踐，從設(shè)計(jì)目的、保證手段、具體措施和實(shí)施效果等方面，論述規(guī)范化的柔性分析管理，以期借鑒提高，形成目的明確、手段科學(xué)、措施嚴(yán)謹(jǐn)和效果實(shí)用的國內(nèi)體系。

1　設(shè)計(jì)目的

柔性分析的目的是通過驗(yàn)證管線系統(tǒng)在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)在承受各種內(nèi)外部可能負(fù)荷情況下的結(jié)構(gòu)完整性，而確保管線系統(tǒng)的安全。

在美國壓力管線標(biāo)準(zhǔn)中，上述負(fù)荷主要分成持續(xù)負(fù)荷、偶然負(fù)荷和位移負(fù)荷三類。偶然負(fù)荷又可分成風(fēng)力負(fù)荷、地震負(fù)荷、PSV（壓力安全閥）反作用力等；亦有將PSV反作用力、水擊作用、地震負(fù)荷等統(tǒng)稱為動負(fù)荷的［2］。

在進(jìn)行柔性分析后，主要將：確定管道組成件的應(yīng)力在允許值之內(nèi)；解決由于機(jī)械振動、聲致振動等引起的動態(tài)問題；解決由于較高或較低操作溫度引起的相關(guān)問題。

此外，尚應(yīng)通過優(yōu)化管線設(shè)計(jì)、合理布置支架、進(jìn)行管線分類和運(yùn)用專業(yè)軟件等手段措施，在滿足柔性功能要求的同時(shí)，盡可能節(jié)省人工日和材料量，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

2　保證手段

科學(xué)的保證手段包括合理的工作流程、實(shí)用的管線分類和高效的分析軟件等。

2.1合理的工作流程

（1）識別應(yīng)力關(guān)鍵管線。

（2）編制應(yīng)力關(guān)鍵管線清單。

（3）將管線進(jìn)行分類。

（4）識別應(yīng)力系統(tǒng)。

（5）根據(jù)優(yōu)先度選擇管線應(yīng)力系統(tǒng)。

（6）列出應(yīng)力系統(tǒng)包含的管線。

（7）檢查管線參數(shù)的完整性。

（8）檢查適用于所選系統(tǒng)的偶然負(fù)荷。

（9）記錄項(xiàng)目的環(huán)境數(shù)據(jù)。

（10）在應(yīng)力分析軟件中對系統(tǒng)建模。

（11）列出系統(tǒng)的所有工況條件。

（12）確定系統(tǒng)的負(fù)荷組合。

（13）計(jì)算負(fù)荷的累積效應(yīng)。

（14）確定系統(tǒng)的允許值，判定是否安全。

（15）根據(jù)需要增加系統(tǒng)柔性。

2.2實(shí)用的管線分類

建立關(guān)鍵管線清單是應(yīng)力分析的基礎(chǔ)，而區(qū)分關(guān)鍵或非關(guān)鍵管線也將在確保管線安全的同時(shí)最小化分析工作量。

借鑒國外經(jīng)驗(yàn)，需進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析的關(guān)鍵管線根據(jù)影響因素可分成4種。

2.2.1應(yīng)力關(guān)鍵管線：基于管線溫度進(jìn)行判別。

（1）溫度在260℃及以上或-200℃及以下DN80至DN125管線。

（2）溫度在120℃及以上或-100℃及以下DN150至DN600管線。

（3）溫度在60℃及以上或-40℃及以下DN650及以上管線。

（4）溫度100℃及以上非鐵材料管線。

（5）所有尺寸的夾套管。

（6）預(yù)先確定設(shè)置膨脹節(jié)的管線。

（7）強(qiáng)制規(guī)定應(yīng)進(jìn)行正式計(jì)算的管線。

（8）與關(guān)鍵管線相連且對柔性影響重大的本身非關(guān)鍵管線。

2.2.2設(shè)備關(guān)鍵管線：指與應(yīng)變敏感設(shè)備相連的管線。

（1）與離心泵相連管線，且最大操作溫度120℃及以上或最小操作溫度-100℃及以下DN65以上管線和最大操作溫度60℃及以上或最小操作溫度-40℃及以下DN150以上管線。

（2）離心泵之外的轉(zhuǎn)動機(jī)械，如蒸汽輪機(jī)、離心壓縮機(jī)等。

（3）加熱爐和重整爐。

（4）往復(fù)式壓縮機(jī)。

（5）空冷式換熱器。

（6）制造商指定較小管嘴負(fù)荷的設(shè)備特殊件。

2.2.3泄壓關(guān)鍵管線：指壓力泄放設(shè)備（如泄壓閥、放空閥等）的上下游管線。

（1）進(jìn)口管線DN65及以上、設(shè)定壓力5.0kg/cm2及以上的泄壓閥和控制閥。

（2）尺寸及壓力要求同上的爆破片下游管線。

（3）M類流體管線：在管線規(guī)格書中標(biāo)識為ASMEB31.3M類流體且DN40及以上的管線。

注：上述選擇標(biāo)準(zhǔn)不盡統(tǒng)一，如殼牌公司要求對與旋轉(zhuǎn)設(shè)備相連的DN80及以上工藝管線、兩相流管線、DN100及以上火炬管線等進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析［3］。

2.3高效的分析軟件

在進(jìn)行柔性分析時(shí)，人工分析方法受限于支架的數(shù)量及類型、系統(tǒng)的溫度變化等，難以或甚至不可能用于解決真正復(fù)雜的問題，許多專業(yè)軟件因此應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)前可用的柔性分析軟件有CAESAR II（常用）、ADLPIPE、AUTOPIPE、CAEPIPE等。

管線的幾何形狀及參數(shù)數(shù)據(jù)等被輸入軟件，采用有限元方法進(jìn)行分析，由管線工程師對分析結(jié)果進(jìn)行解釋，以確保安全及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

隨著科技的發(fā)展和軟件的兼容，在國際項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，已普遍采用3D軟件對裝置建模，在部分3D軟件中，可生成應(yīng)力關(guān)鍵管線模型文件，直接輸入CAESAR II軟件進(jìn)行應(yīng)力分析，極大提高了工效。

3　具體措施

為充分發(fā)揮保證手段的核心作用，有必要先行完善組織措施、優(yōu)化管線設(shè)計(jì)和合理布置支架。

3.1完善組織措施

組織措施此處特指圍繞應(yīng)力關(guān)鍵管線正式形成的一體化責(zé)任分工和全過程實(shí)施步驟，做到設(shè)計(jì)合理、采購優(yōu)質(zhì)、施工重視，以確保管線柔性效果達(dá)標(biāo)。

（1）設(shè)計(jì)部：管線工程師協(xié)同應(yīng)力工程師編制初版關(guān)鍵管線清單；基于PID變更及管線一覽表調(diào)整，定期升級關(guān)鍵管線清單；管線工程師和應(yīng)力工程師篩選出需計(jì)算機(jī)應(yīng)力分析的關(guān)鍵管線，由應(yīng)力工程師進(jìn)行分析；設(shè)計(jì)總工在管線一覽表上標(biāo)出關(guān)鍵管線后發(fā)給相關(guān)部門。

（2）采購部：對于供應(yīng)商設(shè)計(jì)的橇塊，基于關(guān)鍵管線清單，指示供應(yīng)商進(jìn)行相應(yīng)技術(shù)配合；對于用于關(guān)鍵管線的材料，質(zhì)量應(yīng)優(yōu)先考慮。

（3）施工部：應(yīng)正確理解關(guān)鍵管線的重要意義，在施工及試運(yùn)階段高度重視，管線管件和支架務(wù)必按圖施工。

3.2優(yōu)化管線設(shè)計(jì)

根據(jù)關(guān)鍵管線選擇標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)重點(diǎn)優(yōu)化與應(yīng)變敏感設(shè)備相連和容易產(chǎn)生振動的管線設(shè)計(jì)。

優(yōu)化設(shè)備管線

與設(shè)備相連管線的設(shè)計(jì)要求較多，此處僅以離心泵進(jìn)出口管線直管段幾何長度為例進(jìn)行說明：為最小化對離心泵進(jìn)口的擾動，應(yīng)確保從最后一個(gè)彎頭到進(jìn)口的直管段（不包括大小頭、過濾器和關(guān)斷閥）足夠長，如對于端進(jìn)單吸泵，直管段不應(yīng)小于4倍管徑。

3.2.1減輕管線振動

聲致振動（AIV）和流致振動（FIV）研究雖然正規(guī)，但其在設(shè)計(jì)階段的時(shí)間靠后。為最小化對設(shè)計(jì)變更和材料采購的影響，有必要在設(shè)計(jì)初期采取相應(yīng)措施：

（1）在項(xiàng)目早期階段識別易受AIV/FIV影響的管線。

（2）采取典型減振措施，如：增加管線壁厚；鑲?cè)胧街Ч茏齑婧附邮街Ч芘_；PSV閥出口支架采用全補(bǔ)強(qiáng)板；DN50及以下小口徑支管從主管上進(jìn)行斜撐；減小懸臂自由端質(zhì)量等。

（3）采取專用技術(shù)措施：針對AIV，應(yīng)選用低噪聲閥內(nèi)件和避免PSV上下游法蘭短節(jié)。為緩解FIV，對于高壓差閥門，應(yīng)在上下游提供法蘭短節(jié)以滿足在兩側(cè)分別安裝固定和滑動支架等。

此外，在支管尺寸和連接形式方面也應(yīng)借鑒國外良好工程實(shí)踐，如：國外支管尺寸最小為DN20，國內(nèi)常采用DN15支管，更易振動而致連接處疲勞破裂；國內(nèi)支管常用螺紋連接形式，但由于螺紋連接存在隙間腐蝕缺陷和容易泄露，所以國外在烴類主管線及支管第一個(gè)連接處現(xiàn)已普遍采用法蘭連接形式。

3.3合理布置支架

在ASMEB31.3中，將管線支架的設(shè)計(jì)目的總結(jié)為10條，可概括為靜力、運(yùn)動和形態(tài)等3個(gè)方面。國外設(shè)計(jì)結(jié)合管道支架原理，通過工程判斷和簡化計(jì)算，即可先行合理確定自由、導(dǎo)向等一般管架的位置和型式。而對于固定、限位和特殊支架，則需要結(jié)合工程實(shí)踐、特殊要求、支架參數(shù)和精確計(jì)算先行定性判斷最后定量確定。

國外工程實(shí)踐常常對支架的位置或型式進(jìn)行了比較具體的規(guī)定，如對于與油罐連接的管線，為應(yīng)對罐沉降和垂直管段的熱膨脹，第一個(gè)管支架應(yīng)距罐足夠遠(yuǎn)，甚至按不同管徑編制了相應(yīng)的距離表?；趯ㄔO(shè)和操維工況的深入研究，建議采取相應(yīng)優(yōu)化措施：補(bǔ)償管線溫度變化對支架產(chǎn)生的影響；應(yīng)對拆卸閥門后斷開管段對設(shè)備管嘴施加的額外載荷；布置可調(diào)支架滿足更換管嘴墊片及隔離件時(shí)對法蘭間隙的要求；在支架和管線之間墊入柔性材料減振降噪；考慮其它特殊支架需求。

4　實(shí)施效果

4.1針對性檢查

建立標(biāo)準(zhǔn)化檢查表，對比確認(rèn)柔性分析步驟遵循程序，在發(fā)生相關(guān)設(shè)計(jì)變更或收到新的輸入數(shù)據(jù)時(shí)及時(shí)檢查更新，在機(jī)械完工前對關(guān)鍵管線進(jìn)行專項(xiàng)三查四定，在試運(yùn)、投產(chǎn)時(shí)將彈性/可調(diào)支架和柔性特殊件等設(shè)置到位，以確保現(xiàn)場實(shí)物狀態(tài)滿足柔性分析要求。

4.2持續(xù)性改進(jìn)

在裝置正式運(yùn)行后的缺陷整改期，跟蹤和回訪關(guān)鍵管線使用情況，重點(diǎn)關(guān)注位移及振動等超標(biāo)情況和設(shè)備管嘴、支架、特殊件、小口徑支管及閥門等故障狀態(tài)，針對問題進(jìn)行原因分析，在實(shí)踐中解決問題和積累經(jīng)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)柔性分析水平的持續(xù)性提高。

5　結(jié)語

為改善國內(nèi)工藝管線柔性分析尚不規(guī)范的現(xiàn)狀，建議有實(shí)力的綜合設(shè)計(jì)院和專業(yè)化公司掌握柔性分析的核心技術(shù)，分別實(shí)施一體化和專業(yè)化策略，在提供內(nèi)部或外部柔性分析服務(wù)實(shí)踐中，實(shí)現(xiàn)高附加值設(shè)計(jì)，滿足生產(chǎn)安全。

［1］ASME.Process Piping:ASMEB31.3［S］.New York:ASME，2010:36.

［2］Standards Norway.Piping System Layout，Design and Structural Analysis:NORSOK Standard L-002［S］.Lysaker:Standards Norway，2009:28.

［3］Shell.Piping-General Requirements:DEP 31.38.01.11［S］.Netherlands:ShellGSI，2010:22-23.

程君：高級工程師；本科，1995年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院；碩士，2004年畢業(yè)于石油大學(xué)（北京）；主要從事國內(nèi)外油氣田地面工程EPC和PMC項(xiàng)目管理