中國(guó)石油西南油氣田公司川西北氣礦, 四川 江油 621700

0 前言

近年來(lái)，國(guó)家對(duì)清潔能源的開(kāi)發(fā)力度增大,對(duì)天然氣的利用和開(kāi)發(fā)力度不斷增強(qiáng)。由于不同地質(zhì)條件,氣田產(chǎn)出氣體組分不盡相同，因此需使用不同的天然氣處理工藝和裝置,脫除產(chǎn)出氣體中的雜質(zhì)。放空管網(wǎng)作為天然氣處理裝置安全保障的最后一道屏障,在緊急停產(chǎn)放空中,放空氣體將會(huì)在放空管網(wǎng)的彎管、三通及異徑處對(duì)管道產(chǎn)生巨大的沖擊力,可能導(dǎo)致其發(fā)生撕裂、位移過(guò)大而脫離管架等安全事故,其安全性和穩(wěn)定性對(duì)全廠的安全生產(chǎn)至關(guān)重要[1-3]。

川西某天然氣凈化廠于2016年對(duì)老舊放空管網(wǎng)進(jìn)行適應(yīng)性改造,主要整改內(nèi)容是:將高壓與低壓放空管線直三通改為斜三通;將部分管道下部排入放空管網(wǎng)的三通改為管道上部進(jìn)入放空管網(wǎng);將部分高凸的放空管網(wǎng)改為步步低的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)(坡度管網(wǎng))。為檢驗(yàn)新的放空管網(wǎng)是否適應(yīng)原有的工藝參數(shù),應(yīng)用仿真模擬軟件對(duì)高壓天然氣放空管線在放空過(guò)程中的工作狀態(tài)進(jìn)行模擬,對(duì)改造后的高壓放空管網(wǎng)進(jìn)行全面的分析和評(píng)價(jià)。

1 油氣處理裝置放空管網(wǎng)簡(jiǎn)介

川西某天然氣凈化廠建設(shè)規(guī)模為120×104m3/d,經(jīng)多次改造后日處理量穩(wěn)定在15×104m3/d,入廠壓力約2.13 MPa,主要有脫硫、脫水、回收、原穩(wěn)等裝置及放空系統(tǒng),放空管網(wǎng)采用門型架支撐,并由管卡固定。根據(jù)SH/T 3073-2016 《石油化工管道支吊架設(shè)計(jì)規(guī)范》,油氣處理裝置鋼管管道支撐跨距應(yīng)符合連續(xù)梁(管道)承受均布載荷的剛度條件和強(qiáng)度條件,DN 200壁厚為8.18 mm的管線計(jì)算結(jié)果門架間距應(yīng)小于20.8 m,現(xiàn)場(chǎng)門架間距為5 m,門架上固定管線的管卡根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件限制,管卡間距設(shè)置在10～30 m之間[4-5]。本文軟件計(jì)算模擬的邊界條件均以上述現(xiàn)場(chǎng)的管架、管卡實(shí)際情況為準(zhǔn)。

川西某天然氣凈化廠的放空系統(tǒng),在設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮基本的固定間距,沒(méi)有對(duì)彎管、下沉管及地形變化做出相應(yīng)的調(diào)整,導(dǎo)致多次放空過(guò)程中,出現(xiàn)放空管道局部振動(dòng)劇烈、位移過(guò)大等問(wèn)題,存在安全隱患。因此需要對(duì)放空系統(tǒng)的管卡布置進(jìn)行分析和整改[6-7]。天然氣處理廠的放空系統(tǒng)平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 放空管網(wǎng)平面布置示意圖

2 放空管網(wǎng)放空過(guò)程中激振力分析

2.1 放空過(guò)程分析

川西某天然氣凈化廠在發(fā)生緊急停電、設(shè)備設(shè)施泄漏和停產(chǎn)事故時(shí),將自動(dòng)觸發(fā)全廠或者局部裝置緊急停車系統(tǒng),關(guān)斷所有的天然氣進(jìn)、出廠緊急截?cái)嚅y,同時(shí)打開(kāi)脫硫區(qū)、脫水區(qū)以及硫黃回收區(qū)等相關(guān)裝置的放空閥進(jìn)行緊急放空。高壓裝置同時(shí)放空時(shí),管網(wǎng)內(nèi)的氣量會(huì)瞬間達(dá)到最大,管網(wǎng)中氣體速度也接近0.7 Ma,放空系統(tǒng)很快達(dá)到最大工況。隨著凈化裝置放空的繼續(xù)進(jìn)行,管道壓力下降,放空氣流量與氣速逐漸下降,放空管網(wǎng)的振動(dòng)慢慢減小,對(duì)系統(tǒng)安全的影響逐漸減小。本文所選擇的工況為高壓裝置區(qū)域同時(shí)放空時(shí)作為模擬的初始狀態(tài),根據(jù)該狀態(tài)進(jìn)行一系列的仿真和分析。

2.2 管道內(nèi)激振力的分析

天然氣放空管道的激振力主要產(chǎn)生于管道的彎頭或變徑處。引起激振力的主要原因:一是氣流的速度和方向發(fā)生改變使管道產(chǎn)生了動(dòng)壓力,二是壓力方向的變化對(duì)管壁產(chǎn)生的靜壓,管壁受力情況見(jiàn)圖2。

對(duì)于直角彎管的激振力按下式計(jì)算[8]:

式中:Fx為激振力的縱向分力,N;Fy為激振力的橫向分力,N;qv為氣體體積流量,m3/s;qm為氣體質(zhì)量流量,kg/s;u為氣體流速,m/s;A為管道截面積,m2;g為重力加速度，9.8 m/s;γ為流體密度,kg/m3。

計(jì)算整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)的振動(dòng)時(shí)所分析使用的微分方程的矩陣形式為:

式中:[M]為系統(tǒng)總質(zhì)量矩陣;[K]為系統(tǒng)總剛度矩陣;[C]為阻尼矩陣;y為節(jié)點(diǎn)位移向量; f為激振力向量。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)數(shù)據(jù),建立實(shí)際放空管網(wǎng)的三維模型,簡(jiǎn)化管網(wǎng)上的附件,在保證計(jì)算精度且加快計(jì)算速度基礎(chǔ)上,根據(jù)物理尺寸和實(shí)際工況計(jì)算出上述方程的解,從而根據(jù)計(jì)算結(jié)果,指導(dǎo)工程實(shí)際。

2.3 三維實(shí)體模型的建立和網(wǎng)格劃分

考慮到做整體模型對(duì)計(jì)算機(jī)要求較高,在保證計(jì)算準(zhǔn)確性的前提下,對(duì)放空管網(wǎng)的模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化。由于川西某天然氣凈化廠的放空管線分成高壓和低壓管線,兩根放空管網(wǎng)使用的材料為20 G的無(wú)縫鋼管,高壓放空管網(wǎng)公稱直寸為DN 200,低壓放空管網(wǎng)在脫硫裝置區(qū)域的放空管網(wǎng)公稱尺寸為DN 150,而后擴(kuò)大到DN 200。根據(jù)設(shè)計(jì)文件,高壓放空管網(wǎng)的工作壓力在0.2～0.4 MPa之間,低壓放空管網(wǎng)的工作壓力低于高壓放空管網(wǎng)工作壓力。因此本文只分析高壓放空管網(wǎng)的安全性。

根據(jù)前述,放空管網(wǎng)通過(guò)管卡固定在管架上面,由于管架是多連體鋼結(jié)構(gòu),且離地距離很小,可以視為管道鋪設(shè)在地面基座上。因此,管卡和管架可以簡(jiǎn)化成如圖3所示的結(jié)構(gòu),管卡底面設(shè)置為固定約束[9-11]。

圖3 放空管網(wǎng)三維模型

本文使用計(jì)算模型在三維建模軟件裝配好模型后導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件,在網(wǎng)格劃分軟件中分別對(duì)計(jì)算模型的流道、管卡、管壁劃分計(jì)算網(wǎng)格。流道劃分采用的是非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格,其中,連管的網(wǎng)格數(shù)為 3 949 223,節(jié)點(diǎn)數(shù)為 687 925,單個(gè)固定管卡網(wǎng)格數(shù)為 33 422,節(jié)點(diǎn)數(shù)為 1 458。

3 放空管網(wǎng)流體力學(xué)分析

3.1 邊界條件設(shè)定

本文使用的計(jì)算流體力學(xué)軟件邊界條件為:流量入口,常壓出口。入口流量0.13 m3/s,出口壓力0 MPa(常壓)。由于最高設(shè)計(jì)使用壓力0.35 MPa,且該放空管使用溫度大部分時(shí)間大于10℃,不會(huì)出現(xiàn)降壓形成水合物的情況,因此,設(shè)置溫度為25℃?？紤]到放空操作和放空安全閥出口流體模型以及穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析結(jié)果對(duì)所述問(wèn)題的關(guān)聯(lián)性,本文選取穩(wěn)態(tài)分析模式,計(jì)算步數(shù)為殘差值小于10-4計(jì)算停止。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)具體工程實(shí)例的求解,可以得到放空管網(wǎng)全部管道內(nèi)部流場(chǎng)分布情況(包括任意一點(diǎn)的壓力、流速、溫度等),然后將計(jì)算出的流體動(dòng)力學(xué)結(jié)果加載到固體上,求解管道受力及管道附件受力情況。根據(jù)這些計(jì)算結(jié)果對(duì)管道的受力及其安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)和建議。

觀察高壓放空管線全線壓降云圖可以看到:整個(gè)放空管網(wǎng)在工作狀態(tài)時(shí),從入口到出口管道內(nèi)的壓力依次逐步降低,最后在出口部分降至常壓,根據(jù)云圖顯示,管道內(nèi)氣體在彎頭部分的壓力下降遠(yuǎn)大于直管的壓力下降,氣體每經(jīng)過(guò)一次彎頭,就會(huì)改變流體方向,損失一部分壓力,損失的壓力轉(zhuǎn)換為動(dòng)能,使管道振動(dòng)加劇[12],見(jiàn)圖4。

圖4 高壓放空管線全線壓降云圖

結(jié)合圖5壓降-振幅關(guān)系示意圖，觀察高壓放空管線全線壓降和振幅的變化可以發(fā)現(xiàn):管道內(nèi)氣體在彎頭部位的壓力下降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直管的壓力下降。觀察整個(gè)管網(wǎng)的壓力降,在整個(gè)尾端彎頭處(4號(hào)彎頭)氣體壓力降幅最大;由于氣體沖擊管壁,壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能,導(dǎo)致管道振動(dòng)加劇,并且管道振幅與該部分管道內(nèi)氣體壓力降幅呈正比。觀察整個(gè)壓力降幅情況,可以看出管道尾部彎頭前后壓力降幅最大,振幅也最大[13]。

圖5 壓降-振幅關(guān)系示意圖

觀察高壓放空管道末端彎頭處前后受力云圖可以發(fā)現(xiàn):管卡主要受力部分為未與彎管接觸的部分,即管卡下半段與門架固定的部分,并且可以發(fā)現(xiàn)在放空管網(wǎng)的末端處彎頭后管卡所受的最大應(yīng)力約為彎頭前管卡所受應(yīng)力的1.75倍;同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)管壁受力較大的地方主要出現(xiàn)在管卡固定處的后端,見(jiàn)圖6～7。

圖6 末端彎頭后端的管卡受力云圖

圖7 末端彎頭前端的管卡受力云圖

模擬管卡間距依次為5、15、30 m的布置方案,選取管卡間距為5 m的距離作為取樣點(diǎn),將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可以得到直觀的振動(dòng)趨勢(shì),在觀察彎頭后管卡間距與管道振幅關(guān)系圖可以看出:不同布置方案的情況下,管道振幅都呈正弦波狀分布,但是擁有不同的周期,管卡間距越小周期越小。管卡間距為30 m方案中,振幅最大部分出現(xiàn)在距管卡15 m位置,最大振幅約為2.5 mm;管卡間距為15 m和5 m方案中,振幅最大部分出現(xiàn)在兩管卡中點(diǎn)位置,兩方案最大振幅分別為0.5 mm和0.3 mm。從管道的最大振幅來(lái)看,管卡間距5 m和15 m的方案相差不多,見(jiàn)圖8。

圖8 彎頭后管卡間距與管道振幅關(guān)系

模擬管卡間距依次為5、15、30 m布置方案,從圖9彎頭后的管卡所受最大應(yīng)力圖可以看出:在管卡間距為30 m的布置方案中,兩相鄰的管卡所受應(yīng)力相差無(wú)幾,管卡受到的最大應(yīng)力在100～110 MPa之間;在管卡間距為15 m的布置方案中,兩相鄰的管卡所受應(yīng)力已經(jīng)有明顯的下降趨勢(shì),能量被管卡和門架吸收和傳遞,管卡受到的最大應(yīng)力在90～105 MPa之間;在管卡間距為5 m的布置方案中,兩相鄰的管卡所受應(yīng)力有了更明顯的下降趨勢(shì),能量被多個(gè)管卡和門架分?jǐn)偂⑽蘸蛡鬟f,管卡受到的最大應(yīng)力在70～85 MPa之間。同時(shí),與前述方案相比間距5 m方案中,管卡所受最大應(yīng)力是最小的,有著更高的安全系數(shù)[14]。

圖9 彎頭后的管卡所受最大應(yīng)力

2016年川西某天然氣凈化廠大修期間將放空管網(wǎng)由之前的直三通改為斜三通。觀察整改前后的仿真結(jié)果,對(duì)比整改前后的管道受力云圖、氣液相組分云圖和放空管網(wǎng)入口振幅云圖,見(jiàn)圖10～15,可以發(fā)現(xiàn):整改前管道受力主要集中在三通和彎頭部分,使用斜三通后優(yōu)化了管道受力方向,降低了管道所受到的沖擊力,降低了放空管網(wǎng)入口處的最大振幅和振動(dòng)頻率;使用斜三通與之前的直三通相比,可以有效地減少管道彎頭和端部的積液,進(jìn)而減輕因酸性和潮濕環(huán)境對(duì)放空管網(wǎng)的腐蝕[15-21]。

圖10 整改前的管道受力云圖

圖11 整改后的管道受力云圖

圖12 整改前液相組分云圖

圖13 整改后液相組分云圖

圖14 整改前放空管網(wǎng)入口處振幅

圖15 整改后放空管網(wǎng)入口處振幅

4 結(jié)論和建議

1)改變管網(wǎng)結(jié)構(gòu)特性，提高管線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的剛度,可以提高管網(wǎng)的固有頻率,減小管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的振幅。設(shè)置管卡時(shí)應(yīng)有一定的彈性,如在固定管卡與管道之間襯以軟木或橡膠墊等,以吸收管道部分振動(dòng)能量。

2)放空支管接入放空總管時(shí)的壓差較高,使用斜三通接入總管后,可以減輕氣流對(duì)總管的沖擊和振動(dòng),減少放空總管端部的積液。

3)管網(wǎng)振動(dòng)主要來(lái)源于彎頭和變徑管內(nèi)氣體壓力波動(dòng),因此在下個(gè)檢修計(jì)劃的管網(wǎng)設(shè)計(jì)中應(yīng)增加直管長(zhǎng)度,減少使用彎頭,以減少激振源。如放空管網(wǎng)出現(xiàn)局部振幅較大的情況,可考慮增加管卡約束數(shù)量或使用彎度較小的彎頭。

4)在易產(chǎn)生振動(dòng),振幅較大的彎頭、變徑管段,可采取降低支撐高度、調(diào)整等距支撐的間距、加大支撐結(jié)構(gòu)自身剛度等措施,使管網(wǎng)固有頻率錯(cuò)開(kāi)共振的激發(fā)頻率,避免發(fā)生更大的破壞。

5)在激振力較大的彎頭附近或管段門架采用管道減振設(shè)施,如管道減振器或液壓式阻尼器。

6)定期巡查緊急放空閥、安全閥、放空支管與放空總管的連接情況,防止在緊急放空時(shí)由于氣體超速和氣流不穩(wěn)定而使管道振動(dòng)加劇,進(jìn)而出現(xiàn)裂縫,發(fā)生斷裂脫離事故。