天然气管道工程冷凝液收集器结构设计与有限元分析

赵振兴　赵树炳　彭常飞　李凯楠

（中国石油天然气管道工程有限公司）



天然气管道工程冷凝液收集器结构设计与有限元分析

赵振兴*赵树炳彭常飞李凯楠

（中国石油天然气管道工程有限公司）

摘要冷凝液收集器的设计研发属国内首次。对于冷凝液收集器，采取分开设计、现场组装的方式，可以确保质量、缩短工期、降低运输难度和制造成本。通过对接管补强、吹扫管线、装车管线和集液槽等结构的分析，提出了厚壁接管补强结构、外部吹扫管线以及装车管线与集液槽相连通的设计方案，满足了设计工况和工艺要求。通过对冷凝液收集器进行有限元分析，确保了设计的安全可靠性。

关键词冷凝液收集器接管补强吹扫管线集液槽有限元

*赵振兴，男，1980年生，硕士，工程师。廊坊市，065000。

0　前言

中亚天然气管道横跨土库曼斯坦、乌兹别克斯坦、哈萨克斯坦和中国四个国家，是国家战略能源通道建设的重点项目之一[1-2]。为了达到天然气管道项目气质净化的目的，需要在清管区设清管污物收集装置。国内对输气管道冷凝液的收集没有具体规范可循，通常的做法是设置排污池或排污罐。目前，采用排污罐的情况较多。以西气东输二线为例，排污罐容量一般不超过20 m3，设计压力为1.6 MPa，安装方式为地上或埋地安装。所采用的排污罐结构为传统的卧式圆柱形筒体加封头型式，筒体由钢板卷制，直径较大。排污罐一般设有人孔、排污进口、安全泄放口和装车口，以及液位计、压力表等仪表接口，占地面积较小，安全性较高。排污罐通常由专业厂制造，质量能够得到保障[3-4]。

按照前苏联规范ОНТП 51-1-85的规定，清管站应设置由输气Ⅰ级管道钢管制造的地下收集管来收集清管污物[5]。中亚天然气清管站将这种清管污物地下收集管称作冷凝液收集器。该冷凝液收集器的主管采用干线钢管以及一些弯头、管帽和异径接头等管件焊接而成，根据容积大小制成U形或多个U形相连通的形状。设计压力与干线管道相同，压力较高，中亚A/B线管道设计的冷凝液收集器容积均不低于50 m3。冷凝液收集器上设有清管污物进口、吹扫口、集液槽、装车管线，以及液位计、压力表等仪表接口[3]。

与国内的其他排污罐相比，冷凝液收集器的主管采用现场干线Ⅰ级钢管，管件和接管在国内进行加工制造，最后运到现场组焊试验。这样可在保证冷凝液收集器质量的同时，缩短报关时间，降低装箱发运难度，大幅降低运输费用和施工难度，施工也方便，缩短了制造周期，节省了材料和加工成本。该冷凝液收集器操作简单，运行方便，能有效排净气体和污物，并能确保管道安全可靠的运行。

1　结构设计

1.1工作原理

冷凝液收集器系统由冷凝液收集管区、放空区、减压区、冷凝液卸载区等组成，具备放空、液体装车、减压吹扫装置、管底清理、取样和液位显示等功能[4]。在进行清管作业时，管道中的冷凝液和杂质等被排入冷凝液收集系统中，气体通过越站管线进行回收，达到了气质净化的目的。清管离线作业时，当冷凝液收集器内污物及冷凝液充满，液位发生报警时，通过间歇式的减压吹扫和搅拌，将冷凝液收集器中的污物通过吹扫管线吹出，并装车运走。系统工作原理见图1。

图1　冷凝液收集器系统工作原理

1.2结构设计

冷凝液收集器由吹扫管线、装车管线、进液口接管、出气口接管、液位计接管、压力表接管、压力变送器接管以及干线钢管、大口径管件和其他小管件等组成，总体呈U形对称结构，如图2所示。为保证介质能顺利流至出口管线入口，设备安装整体坡度为5‰。为减少冻土对设备的影响，设备右侧筒体上表面埋深为冻土层以下。

主体结构设计要满足ASME B31.8《输气和配气管道系统》[6]和ASME BPV规范第八卷第一分篇[7]的要求。考虑到冷凝液收集器设备尺寸较大，运输和装卸困难，因此在满足设计质量的前提下，采取了分开设计、现场组装的方式，即设备接管和管件在国内设计制造，主管采用现场干线钢管，接管和管件发到现场进行组装。这样可大大降低运输难度，降低施工成本，确保设计质量。

图2　冷凝液收集器结构

1.3主要结构设计

1.3.1接管补强结构

冷凝液收集器的设计压力等于干线管道压力9.81 MPa，主管开孔接管补强采取厚壁接管补强。这种补强方式可有效降低应力集中，补强安装效果较好，焊接质量容易检验[8]。

1.3.2吹扫管线结构设计方案

清管作业结束后，管道中的冷凝液和杂质需要通过吹扫管线进行减压吹扫和搅拌，以便于冷凝液的汇集和顺利地装车运走，因此吹扫管线的结构设计是本设备设计关键点之一。吹扫管线结构方案如图3所示。

主管上等间距开设两排辐射吹扫管，每排9根共18根，管子规格Ø60.3×4.8（API 5L标准），每根管子设截止阀。这样的吹扫管线结构方案可以实现设备的分段控制减压吹扫，吹扫效果好。多排辐射吹扫管结构如图4所示。

图3　吹扫管线结构方案

图4　多排辐射吹扫管结构

1.3.3装车管线和集液槽结构设计方案

装车管线和集液槽的设计目的是为了便于冷凝液的汇集和装车运走。装车管线和集液槽的结构设计是本设备难度最高的一个环节。由于装车管线处集液槽开孔较大，设计时不仅要考虑大开孔问题，还要考虑开孔处局部受力的影响。此外，结构上还要保证冷凝液收集器中的冷凝液能够全部排出。

装车管线结构方案示意图如图5所示。装车管线和集液槽相连通的结构可以实现上部和下部抽取冷凝液，且制造相对容易，排液效果好，焊接质量也容易得到保证。

图5　装车管线和集液槽结构

2　有限元分析

2.1建立模型

由于冷凝液收集器结构比较复杂，因此常规设计计算已经不能满足要求，为了提高设计安全可靠性，有必要对开孔部位的接管进行有限元分析[10]。

设计参数：冷凝液收集器主管规格1067 mm× 25.4 mm，长度3.9 m。支管457 mm×37.5 mm，伸出长度174 mm，材质SA350 LF6 CL.2。材料弹性模量2×105MPa，泊松比0.3。

所建立的冷凝液收集器模型如图6所示。

图6　冷凝液收集器模型

2.2划分网格

采用ANSYS14.0软件提供的Solid186单元进行高阶六面体网格划分。Solid186单元是20节点三维结构单元[10]。为取得高质量的网格，模型采用了手动模式进行网格划分。由于模型的轴对称性，故取开孔处结构的四分之一进行网格划分。网格划分模型见图7。

图7　冷凝液收集器模型网格划分

2.3施加边界条件

（1）位移边界条件

由于采用的是1/4三维实体模型，对模型的对称面施加对称约束，限定了两个对称面的平动。

（2）力边界条件

在内部施加内压载荷9.81 MPa，在主管端部和支管端部施加轴向平衡面载荷。冷凝液收集器边界条件如图8所示。

冷凝液收集器的有限元分析图和线性化路径分别如图9、图10所示。为了确保冷凝液收集器设计安全可靠，分别选取了两条路径进行线性化，路径1代表主管线性化路径，路径2代表接管线性化路径。由此得到主管局部线性化结果如图11所示，支管局部线性化结果如图12所示。

图8　冷凝液收集器边界条件

图9　冷凝液收集器有限元分析

图10　冷凝液收集器线性化路径

图11　冷凝液收集器主管线性化结果

图12　冷凝液收集器支管线性化结果

接管应力校核结果如表1所示。

表1　冷凝液收集器接管校核结果

根据以上有限元分析结果，在接管和主管连接相贯线肩部分布有最大的应力强度，应力值为639.8 MPa，其余位置的各应力分量均较小。通过分析冷凝液收集器主管和支管线性化结果，在设计压力作用下，主管一次总体薄膜应力强度计算值小于许用极限值364 MPa；一次薄膜应力加一次弯曲应力的应力强度计算值小于许用极限值546 MPa；一次薄膜应力加一次弯曲应力加峰值应力的应力强度计算值小于许用极限值1092 MPa。支管一次总体薄膜应力强度计算值小于许用极限值311 MPa；一次薄膜应力加一次弯曲应力的应力强度计算值小于许用极限值467 MPa；一次薄膜应力加一次弯曲应力加峰值应力的应力强度计算值小于许用极限值934 MPa。应力计算满足JB/T 4732《钢制压力容器——分析设计标准》的规定[8]。冷凝液收集器结构设计合理，强度满足要求。

3　结论

（1）冷凝液收集器采取分开设计、现场组装的方式，可以确保质量、缩短工期、降低运输难度和制造成本。

（2）采用厚壁接管补强的方式能够满足设计工况要求，更有效地降低应力集中。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检验，补强效果较好。

（3）设计的外部辐射吹扫管可以实现设备的分段控制减压吹扫，且现场只需要开孔焊接接管，焊接质量容易得到保证，吹扫效果好。

（4）设计的装车管线和集液槽相连通的结构可以实现上部和下部抽取冷凝液，且制造相对容易，成本较低，排液效果好，焊接质量容易得到保证。

（5）接管最大应力强度点出现在相贯线肩部。在满足设计质量的前提下，可以单独增加肩部壁厚或改变结构来节省投资。

（6）常规计算无法适用于多个接管复杂的受力工况，因此在满足设备安全运行的前提下，采用有限元分析设计的方法，可以优化结构和功能，能够满足设计工况要求。

参考文献

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[4]李艳，罗叶新.浅谈中亚和国内天然气管道在站场工艺设计方面的差异[M]//油气储运论文集（第八卷）.2012：68-71.

[5]苏联天然气工业部.ОНТП 51-1-85干线输气管道工艺设计规范[S].战韵祥，译.廊坊：中国石油天然气管道勘察设计院，1996.

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[11]JB/T 4732—1995钢制压力容器——分析设计标准[S].

Structure Design and Finite Element Analysis of Condensate Collector in Natural Gas Pipeline Project

Zhao Zhenxing Zhao Shubing Peng Changfei Li Kainan

Abstract：The design and research of the condensate collector is the initiate of China.For the condensate collector,the separate design and on-site assembly are applied to ensure the quality,shorten the construction period,reduce the difficulty level of the transportation and the manufacturing cost.Based on the analysis of the nozzle reinforcement,scavenging pipeline,loading pipeline,collecting tank,and other structures,the design proposals of the thick wall structure of the nozzle reinforcement,the external scavenging pipeline,as well as the linkage of the loading pipeline to the collecting tank are proposed,which then satisfy the design conditions and technological requirements.All in all,the safety and reliability of the design of the condensate collector are guaranteed through the finite element analysis.

Key words：Condensate collector; Nozzle reinforcement; Scavenging pipeline; Collecting tank; Finite element

收稿日期：（2015-08-19）

中图分类号TQ 053.6

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.04.003