输气站场低温工况设计要点

杨文川 谌贵宇 鲜 宁 申 琳

中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

输气站场在正常输送、调压、放空、排污、投产充压等工况下,可能因焦耳-汤姆逊效应而产生较低的介质温度,导致承压管道和设备金属壁经受低温工况;此外,寒冷地区的大气低温环境也会使地面管道和设备金属壁遭受低温工况。无论是介质低温,还是大气环境低温,都是影响输气站场最低设计温度确定和合理选材的关键因素[1-2]。

在设计阶段,如果没有对低温工况及其可能引发的后果进行详细分析,则可能导致选材不合理并影响运行的可操作范围及安全性。如果选材不满足实际的低温工况要求,则会埋下安全隐患,造成承压管道和设备的脆性开裂,甚至发生重大事故;如果选材高于实际需求,则会增加项目投资和采购难度。因此,合理确定最低设计温度和选材是项目安全运行和优化投资的重要保障之一。

1 最低设计温度的定义

设计温度是用于强度设计需要拟定的温度,有最高设计温度和最低设计温度之分[3-6]。最低设计温度或最低金属壁温是确定材料低温性能的重要指标,以金属温度为对象来定义。

综合各标准的定义,最低设计温度一般是根据管道和设备在操作过程中预期的各种可能工况下可能出现的最低金属温度确定。输气站场最低设计温度需考虑正常操作、工艺扰动、投产、停输、放空、放空后的再充压、试压、最低环境温度,以及伴热等措施的影响[3-13]。我国南方地区的输气站场以介质低温为主,北方地区输气站场则兼有介质低温和环境低温。如果最低环境温度是决定性因素,则最低金属温度可取最低环境温度。

关于最低环境温度的取值,根据GB 150-2011《压力容器》(以下简称GB 150)、TSG D 0001-2009《压力管道安全技术监察规程——工业管道》、TSG 21-2016 《固定式压力容器安全技术监察规程》等标准的规定,按照该地区气象资料,取历年来月平均最低气温的最低值(月平均最低气温是指当月各天的最低气温值相加后除以当月的天数),具体数值可查阅GB 50009-2012 《建筑结构荷载规范》等标准[6-8,14]。

一般来说,最低设计温度应不高于操作条件下可能的最低金属温度。在低温工况条件下,当具有较大成本优势或为了降低选材难度时,在采取足够的保护措施(如伴热保温等)后,可提高最低设计温度。必要时可结合低温低应力工况或材料免除冲击试验的条件降低材料的最低使用温度。

2 输气站场低温工况分析

2.1 分析步骤

低温工况分析的根本目的在于指导选材和运行操作。主要分析步骤包括:

1)识别可能产生低温的工况和部位;

2)计算流体在各种工况下可能产生的最低温度,必要时通过详细传热计算确定管道和设备金属壁温;

3)根据最低介质温度或管道和设备最低金属壁温确定最低设计温度;

4)根据最低设计温度选定材料,并提出低温韧性试验要求以确保选材的安全性。

2.2 典型工况分析

输气站场承压管道和设备可能经受低温的典型工况主要包括投产充压、正常运行、停输、紧急放空、检维修与改造前的手动放空、安全阀排放、排污等。

2.2.1 投产充压

包括首次投产充压和站场整体或局部放空后的再投运充压。其中,新建管道系统的站场首次投产充压时,气源来自线路管道,压力一般较低,气体通过节流阀节流后产生低温的可能性较小。在役管道系统的站场整体或局部放空后的再投运充压,气源压力可能较高,气体通过节流阀节流后产生的温度较低。因此,一般应分析站场整体或局部放空后再投运充压时是否会产生低温工况。

2.2.2 正常运行

需考虑以下工况的最低温度:气体正常流动时管道和设备内部流体介质的最低运行温度;调压阀/节流装置的节流后流体介质的最低运行温度;无伴热的死气段管道和设备的最低金属壁温,该温度按最低环境温度取值[7-8]。

2.2.3 停输

因站场紧急停车或对局部设备进行检维修操作时,需对流进和流出站场或局部设施的流体介质进行截断,并关闭站内相应区域的动力设备和热源系统,停输后管道和设备内部流体介质和金属壁的温度会随着时间的延续逐渐接近大气环境温度。同时由于定容效应,管道和设备内部气体压力会随温度的变化而变化。对于无伴热管道，其最低金属壁温按最低环境温度选取。

2.2.4 紧急放空

非火灾工况下触发的紧急放空,可能导致限流孔板上游和下游系统经受非常低的工作温度,设计时应予以注意,且放空初始状态参数可能是正常运行时的参数,也可能是站场或局部设施截断后冷却一定时间后的参数[15-16]。因此,考虑站内可能的最恶劣放空工况,应分析站场或局部设施截断后冷却至环境温度后进行紧急放空时的低温工况。

2.2.5 检维修与改造前的手动放空

站内设备进行检维修和改造前需进行上、下游截断,然后进行手动放空。在进行手动放空时,一般缓慢打开放空阀,根据放空管路的噪音和振动情况控制放空阀门开度,逐渐增大阀门的开度直至全开。由于放空阀的开度由操作人员手动控制,在设计时应以最恶劣的工况考虑。

2.2.6 安全阀排放

安全阀排放时,气体由排放压力和温度节流至下游背压条件。由于传热的动态特性,安全阀下游管道的温度变化会略滞后于气体温度的变化,但是安全阀下游气体流速一般都较高,气体与管壁的传热系数较大,在较短的时间内就会非常接近于气体温度。因此,可用节流后的气体温度近似作为管道壁温。

2.2.7 排污

当设备采用离线排污方案时,即先将设备的上、下游截断,然后放空至一定压力后再排污,天然气可能通过排污阀节流后窜入排污系统。此过程中排污阀上、下游可能产生的温度与检维修和改造前的手动放空所产生的温度基本相同。

3 低温低应力工况与材料免除低温冲击试验条件

低温低应力工况和材料免除低温冲击试验条件的本质是降低材料的操作应力以避免材料在低温环境下起裂。各标准对低温低应力工况的规定见表1,对材料免除低温冲击试验条件的规定见表2。

GB 50251-2015《输气管道工程设计规范》(以下简称GB 50251)第5.2.8条规定了放空管线、管件和放空立管的材料宜按低温低应力工况校核,且条文说明中有低温低应力工况的详细定义[3]。按标准规定,对于X 70以上钢级的材料，由于其最小抗拉强度大于540 MPa,而不能采用低温低应力工况。GB 50251的规定与GB 150和GB 50316-2000《工业金属管道设计规范》(2008年版,以下简称GB 50316)的规定是基本一致的[3,5-6]。

需要注意的是对于我国国标材料,采用低温低应力工况时依然要求在-20 ℃下做低温冲击试验。

ASME B 31.3-2016 Process Piping(以下简称ASME B 31.3)与ASME BPVC VIII-1-2017 Rules for Construction of Pressure Vessels(以下简称ASME BPVC VIII-1)中的相关规定有所不同,它们根据大量材料的试验结果,提供了材料免除低温冲击试验允许的温度降低值曲线[10-11]。

表1各标准对低温低应力工况的规定

标准操作温度T/℃操作应力或压力要求附加条件GB50251-70≤T<-20环向应力不大于标准规定最小屈服强度的1/6适用于最小抗拉强度不大于540MPa的材料GB50316-70≤T<-20环向应力不大于钢材标准中屈服点的1/6，且不大于50MPa不适用于抗拉强度下限值大于540MPa的钢材及螺栓材料GB/T208012-2006《压力管道规范工业管道第2部分：材料》(以下简称GB/T208012)-101≤T<材料最低使用温度低温下的最大工作压力不大于常温下最大允许工作压力的30%；管道由压力、重量及位移产生的轴向(拉)应力总和不大于材料标准规定最小抗拉强度值的10%(计算位移应力时，不计入应力增大系数)仅限于GC2级管道GB150-70(对不要求焊后热处理的容器为-60)≤T<-20容器元件实际承受的最大一次总体薄膜应力和弯曲应力不大于钢材标准常温屈服强度的1/6，且不大于50MPa不适用于Q235系列钢板；不适用于钢材标准抗拉强度下限值大于等于540MPa的材料；不适用于螺栓材料CSAZ662-15OilandGasPipelineSystems未明确管道设计操作应力不大于50MPa-

表2各标准对材料免除低温冲击试验条件的规定

标准操作温度T/℃操作应力或压力要求附加条件ASMEB313当应力系数大于03且小于1时：T为标准中图32322A或附录A确定的最低温度值减去由图32322B确定的温度降低值，但不低于-48；当应力系数不大于03时：T大于等于-104且小于图32322A或附录A确定的最低温度值标准中图32322B定义的应力系数小于1不适用于M类流体；管道应经过不低于15倍设计压力的水压试验；壁厚大于等于13mm时，管道系统应对外加载荷，诸如维护载荷、冲击载荷和热冲击载荷加以安全防护(标准中附录G)ASMEBPVCVIII⁃1当标准中图UCS-661定义的比值大于035且小于1时：T为图UCS-66确定的最低温度值减去由图UCS-661确定的温度降低值，但不低于-48；当图UCS-661定义的比值小于等于035时：T大于等于-105且小于图UCS-66确定的最低温度值标准中图UCS-661定义的比值小于1-

紧急放空和检维修与改造前的手动放空过程中,介质温度下降的同时伴随着操作压力的下降,对钢材低温韧性的要求也会下降,因此,如果符合低温低应力工况或材料免除冲击试验的条件,则可降低材料的最低使用温度,在确保选材安全的前提下,可避免使用低温材料,进而有效降低成本。

4 最低设计温度的取值

由于金属壁温不便于准确预计,通常依据介质的最低操作温度确定设备和管道的最低设计温度,且最低设计温度需对应设备和管道的设计压力,其值取下述各值中的最小值[3-6,8-9,11-13]:

1)介质连续运行的最低温度减去5～10 ℃(根据项目规定或考虑材料的临界点选取);

2)最低环境温度(无伴热时);

3)紧急放空、检维修与改造前的手动放空、排污、投产充压等特殊、非连续运行工况下的最低介质温度,且不再考虑余量;或上述工况下计算所得的最低金属壁温,并考虑一定余量(根据计算准确程度确定)。

5 提高最低设计温度的措施

站内紧急放空、检维修与改造前的手动放空和投产充压工况可能导致较低的管道和设备金属壁温,如果直接按照极端工况确定材料的最低设计温度,可能造成选材成本的大幅增加。此时,可考虑采取适当措施提高管道和设备的最低设计温度或使之符合低温低应力工况,进而在保证安全的前提下降低选材要求。

1)对管道和设备进行伴热保温,可有效提高管道和设备的金属壁温。

2)提高放空初始温度或降低放空初始压力:对站内手动放空,在放空前可采取流程倒换的方法提高管道和设备壁温,然后进行放空作业,以避免放空产生过低的金属壁温;对于站内紧急放空,可采取紧急停车后立即放空的方式,或在停车保压后检测管道或设备的金属壁温,若壁温低至某一临界值后应立即放空,以避免放空产生过低的金属壁温。

3)降低充压气源压力或提高充压气源温度,以避免充压过程中产生过低的金属壁温。

通过改变操作方式达到缓解低温问题的措施实际上限制了运行的可操作范围,因此若采用上述方法,需出具相关操作说明并获得业主认可。

如果无法避免过低的最低设计温度,则可适当增加管道和设备壁厚,并合理安装管道和设备,将其操作应力降低至一定水平,使之符合低温低应力工况或免除低温冲击试验的条件。

6 管道、管件选材及其低温韧性要求

输气站场内管网由管道、管件和阀门组成,阀门可以起到止裂作用,管件也可以在一定程度上起到止裂作用,因此站场内工艺管道的断裂韧性主要基于防止管道起裂考虑。低温工况下输气站场系统中的管道设备的材料选择应要求材料(包括母材、焊缝及其热影响区)具有足够的起裂韧性以避免起裂。为了确保材料在低温工况下能够安全可靠地应用,国内外通用的做法是采用夏比冲击试验来检测并验证材料具有足够的起裂韧性。

输气站场管道设备最常用的材料包括普通碳钢、低温碳钢以及奥氏体不锈钢,由于化学成分以及制造工艺的不同,其最低使用温度亦不同。GB/T 20801.2和ASME B 31.3规定了材料的最低使用温度和是否需要进行夏比冲击试验的最低要求[10,17]。通常,我国国标普通碳钢的最低使用温度为-20 ℃,美国标准为-29 ℃;我国国标低温碳钢的最低使用温度为-40 ℃,美国标准为-45 ℃;奥氏体不锈钢具有良好的低温性能,我国国标材料最低使用温度为-196 ℃,美国标准为-198 ℃[5-6,10-11,17-18]。

输气站场用管标准一般执行GB/T 9711-2011《石油天然气工业、管线输送系统用钢管》(以下简称GB/T 9711)(碳钢)和GB/T 14976-2012 《流体输送用不锈钢无缝管》(不锈钢)[19-20]。对于执行GB/T 9711的钢管,在工程规定的试验温度条件下,夏比冲击吸收功满足规定后才能使用。

不同的标准对夏比冲击试验的要求存在差异,GB 20801.2和ASME B 31.3中规定的夏比冲击吸收功均为最低要求,而一般企业标准对夏比冲击试验的冲击吸收功有更高要求。建议输气站场管道和管件材料的夏比冲击试验采用以下原则:

1)材料及焊缝的试验温度应不高于最低设计温度,且不高于0 ℃;

2)为了便于材料试验温度的标准化且便于采购,试验温度宜选择0、-10、-20、-30、-45 ℃或与厂商协商采用更低的试验温度;

3)夏比冲击吸收功建议按照现行标准中的较大值执行。管道标准:GB/T 9711、GB 5310-2008 《高压锅炉用无缝钢管》、GB 6479-2013 《高压化肥设备用无缝钢管》、GB/T 8163-2008 《输送流体用无缝钢管》、Q/SY 1513.5-2013 《油气输送管道用管材通用技术条件 第5部分:站场用钢管》等;管件标准:GB 150、GB/T 29168.2-2012 《石油天然气工业 管道输送系统用感应加热弯管、管件和法兰 第2部分:管件》、Q/SY 1513.7-2013《油气输送管道用管材通用技术条件 第7部分:管件》等;管道焊接标准:GB/T 31032-2014 《钢质管道焊接及验收》等。

7 结论

合理确定最低设计温度和选材是输气站场运行安全性和建设经济性的重要保证。在进行输气站场最低设计温度的确定和选材时需关注以下内容:

1)根据最低设计温度的定义,全面系统地分析和计算整个工艺系统可能出现的低温工况和部位,必要时采用动态模型并考虑详细传热以计算金属壁温,并结合应力分析结果进行低温低应力工况的核算。

2)根据管道和设备的最低设计温度选择符合要求的材料。材料的低温韧性试验温度应不高于其最低设计温度,夏比冲击吸收功应满足相应标准和规范的要求。

3)若分析后管道和设备的最低工作温度较低,则可在工艺、操作、运行管理上考虑足够的安全措施,以提高最低设计温度,或使其符合低温低应力工况或材料免除冲击试验的条件,以降低材料的最低使用温度,从而避免使用低温碳钢或不锈钢。

4)原则上不建议通过改变操作方式达到缓解低温的目的,从而降低材料的选择要求,若采用该方法,需要出具相关的操作说明并获得业主认可。

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