工艺管线柔性分析的规范管理

2016-03-14程君中石化石油工程设计有限公司山东东营257026

化工管理 2016年30期

关键词：支管柔性关键

程君（中石化石油工程设计有限公司，山东　东营　257026）

工艺管线柔性分析的规范管理

程君（中石化石油工程设计有限公司，山东东营257026）

鉴于柔性分析在工艺管线设计中的重要性和不规范设计的现状，结合国外良好工程实践，重点从设计目的、保证手段、具体措施和实施效果等方面，阐述了规范管理的要点；并提出了一体化、专业化的设计解决方案。

工艺管线；柔性分析；实践；规范化

工艺管道系统应具有足够的柔性，以防止由于热膨胀或收缩或管道支架和管端的位移，而产生有害的应力、变形、损坏或泄露。柔性分析就是确定管道系统内的柔性要求和保证管道系统符合这些要求［1］。柔性分析在国外工艺管线设计中已形成了完善的体系；而国内设计往往不进行柔性分析，或即使分析，也存在不全面、不深入、不跟踪的弊端，无法真正体现设计的实际价值。

下面结合国外良好工程实践，从设计目的、保证手段、具体措施和实施效果等方面，论述规范化的柔性分析管理，以期借鉴提高，形成目的明确、手段科学、措施严谨和效果实用的国内体系。

1　设计目的

柔性分析的目的是通过验证管线系统在设计寿命内在承受各种内外部可能负荷情况下的结构完整性，而确保管线系统的安全。

在美国压力管线标准中，上述负荷主要分成持续负荷、偶然负荷和位移负荷三类。偶然负荷又可分成风力负荷、地震负荷、PSV（压力安全阀）反作用力等；亦有将PSV反作用力、水击作用、地震负荷等统称为动负荷的［2］。

在进行柔性分析后，主要将：确定管道组成件的应力在允许值之内；解决由于机械振动、声致振动等引起的动态问题；解决由于较高或较低操作温度引起的相关问题。

此外，尚应通过优化管线设计、合理布置支架、进行管线分类和运用专业软件等手段措施，在满足柔性功能要求的同时，尽可能节省人工日和材料量，实现经济效益最大化。

2　保证手段

科学的保证手段包括合理的工作流程、实用的管线分类和高效的分析软件等。

2.1合理的工作流程

（1）识别应力关键管线。

（2）编制应力关键管线清单。

（3）将管线进行分类。

（4）识别应力系统。

（5）根据优先度选择管线应力系统。

（6）列出应力系统包含的管线。

（7）检查管线参数的完整性。

（8）检查适用于所选系统的偶然负荷。

（9）记录项目的环境数据。

（10）在应力分析软件中对系统建模。

（11）列出系统的所有工况条件。

（12）确定系统的负荷组合。

（13）计算负荷的累积效应。

（14）确定系统的允许值，判定是否安全。

（15）根据需要增加系统柔性。

2.2实用的管线分类

建立关键管线清单是应力分析的基础，而区分关键或非关键管线也将在确保管线安全的同时最小化分析工作量。

借鉴国外经验，需进行计算机分析的关键管线根据影响因素可分成4种。

2.2.1应力关键管线：基于管线温度进行判别。

（1）温度在260℃及以上或-200℃及以下DN80至DN125管线。

（2）温度在120℃及以上或-100℃及以下DN150至DN600管线。

（3）温度在60℃及以上或-40℃及以下DN650及以上管线。

（4）温度100℃及以上非铁材料管线。

（5）所有尺寸的夹套管。

（6）预先确定设置膨胀节的管线。

（7）强制规定应进行正式计算的管线。

（8）与关键管线相连且对柔性影响重大的本身非关键管线。

2.2.2设备关键管线：指与应变敏感设备相连的管线。

（1）与离心泵相连管线，且最大操作温度120℃及以上或最小操作温度-100℃及以下DN65以上管线和最大操作温度60℃及以上或最小操作温度-40℃及以下DN150以上管线。

（2）离心泵之外的转动机械，如蒸汽轮机、离心压缩机等。

（3）加热炉和重整炉。

（4）往复式压缩机。

（5）空冷式换热器。

（6）制造商指定较小管嘴负荷的设备特殊件。

2.2.3泄压关键管线：指压力泄放设备（如泄压阀、放空阀等）的上下游管线。

（1）进口管线DN65及以上、设定压力5.0kg/cm2及以上的泄压阀和控制阀。

（2）尺寸及压力要求同上的爆破片下游管线。

（3）M类流体管线：在管线规格书中标识为ASMEB31.3M类流体且DN40及以上的管线。

注：上述选择标准不尽统一，如壳牌公司要求对与旋转设备相连的DN80及以上工艺管线、两相流管线、DN100及以上火炬管线等进行计算机分析［3］。

2.3高效的分析软件

在进行柔性分析时，人工分析方法受限于支架的数量及类型、系统的温度变化等，难以或甚至不可能用于解决真正复杂的问题，许多专业软件因此应运而生。当前可用的柔性分析软件有CAESAR II（常用）、ADLPIPE、AUTOPIPE、CAEPIPE等。

管线的几何形状及参数数据等被输入软件，采用有限元方法进行分析，由管线工程师对分析结果进行解释，以确保安全及经济指标。

随着科技的发展和软件的兼容，在国际项目设计中，已普遍采用3D软件对装置建模，在部分3D软件中，可生成应力关键管线模型文件，直接输入CAESAR II软件进行应力分析，极大提高了工效。

3　具体措施

为充分发挥保证手段的核心作用，有必要先行完善组织措施、优化管线设计和合理布置支架。

3.1完善组织措施

组织措施此处特指围绕应力关键管线正式形成的一体化责任分工和全过程实施步骤，做到设计合理、采购优质、施工重视，以确保管线柔性效果达标。

（1）设计部：管线工程师协同应力工程师编制初版关键管线清单；基于PID变更及管线一览表调整，定期升级关键管线清单；管线工程师和应力工程师筛选出需计算机应力分析的关键管线，由应力工程师进行分析；设计总工在管线一览表上标出关键管线后发给相关部门。

（2）采购部：对于供应商设计的橇块，基于关键管线清单，指示供应商进行相应技术配合；对于用于关键管线的材料，质量应优先考虑。

（3）施工部：应正确理解关键管线的重要意义，在施工及试运阶段高度重视，管线管件和支架务必按图施工。

3.2优化管线设计

根据关键管线选择标准，应重点优化与应变敏感设备相连和容易产生振动的管线设计。

优化设备管线

与设备相连管线的设计要求较多，此处仅以离心泵进出口管线直管段几何长度为例进行说明：为最小化对离心泵进口的扰动，应确保从最后一个弯头到进口的直管段（不包括大小头、过滤器和关断阀）足够长，如对于端进单吸泵，直管段不应小于4倍管径。

3.2.1减轻管线振动

声致振动（AIV）和流致振动（FIV）研究虽然正规，但其在设计阶段的时间靠后。为最小化对设计变更和材料采购的影响，有必要在设计初期采取相应措施：

（1）在项目早期阶段识别易受AIV/FIV影响的管线。

（2）采取典型减振措施，如：增加管线壁厚；镶入式支管嘴代替焊接式支管台；PSV阀出口支架采用全补强板；DN50及以下小口径支管从主管上进行斜撑；减小悬臂自由端质量等。

（3）采取专用技术措施：针对AIV，应选用低噪声阀内件和避免PSV上下游法兰短节。为缓解FIV，对于高压差阀门，应在上下游提供法兰短节以满足在两侧分别安装固定和滑动支架等。

此外，在支管尺寸和连接形式方面也应借鉴国外良好工程实践，如：国外支管尺寸最小为DN20，国内常采用DN15支管，更易振动而致连接处疲劳破裂；国内支管常用螺纹连接形式，但由于螺纹连接存在隙间腐蚀缺陷和容易泄露，所以国外在烃类主管线及支管第一个连接处现已普遍采用法兰连接形式。

3.3合理布置支架

在ASMEB31.3中，将管线支架的设计目的总结为10条，可概括为静力、运动和形态等3个方面。国外设计结合管道支架原理，通过工程判断和简化计算，即可先行合理确定自由、导向等一般管架的位置和型式。而对于固定、限位和特殊支架，则需要结合工程实践、特殊要求、支架参数和精确计算先行定性判断最后定量确定。

国外工程实践常常对支架的位置或型式进行了比较具体的规定，如对于与油罐连接的管线，为应对罐沉降和垂直管段的热膨胀，第一个管支架应距罐足够远，甚至按不同管径编制了相应的距离表。基于对建设和操维工况的深入研究，建议采取相应优化措施：补偿管线温度变化对支架产生的影响；应对拆卸阀门后断开管段对设备管嘴施加的额外载荷；布置可调支架满足更换管嘴垫片及隔离件时对法兰间隙的要求；在支架和管线之间垫入柔性材料减振降噪；考虑其它特殊支架需求。