天然气处理装置放空系统结构分析与管卡布置.pdf

第 4 2卷第 5 期 2 0 1 3年 9月 石油化工设备 P ETRO CHEMI CAL EQUI P MENT Vo 1 ． 4 2 No ． 5 Se pt ． 20 13 文章编号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 3 0 5 0 0 3 2 - 0 6 天然气处理装置放空系统结构分析与管卡布置 署恒木 ，潘秀珍 ，魏升龙。 ，杨 远。 宋作苓 1 ． 中国石油大学 华东工程力学系 ，山东 青岛 2 6 6 5 8 0 ； 2 ． 中国石油工程建设公司 华东设计分公司 ，山东 青 岛 2 6 6 0 7 1 ； 3 ． 北 京石 油化工工程有 限公 司 西安分公司 管道室 ，陕西 西安 7 1 0 0 7 5 ； 4 ． 胜利油 田胜利勘察设计 研究 院有 限公 司 机械设备设计所 ，山东 东营 2 5 7 0 2 6 摘要 建立 了苏里格气田第四天然气处理厂天然气处理装置整个放 空系统的有限元模 型， 分析确 立 了管卡的 布置 方案 ， 对其进行 了全 面 的动 态分析计 算 ， 得 到 了放 空 系统在全 厂 紧急停产 放 空时的 结构振动响应。根据分析结果提 出了消减放空管道振动 的措施 ， 其分析和计算方法对同类型放 空 系统结构的安全设计和动态应力计算有一定的参考价值。 关 键词 天然气处理装置；放空系统；有限元；管卡布置；动态分析 中图分 类号 T E 9 6 9 ；T Q 0 5 0 。 8 文献标 志码 B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 7 4 6 6 ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 0 9 S t r u c t u r a l An a l y s i s a n d Pi p e Cl a m p Ar r a n g e me n t o f Ve n t i ng S y s t e m i n Na t u r a l Ga s Pr o c e s s i n g Un i t S HU He n g - mu ， P A N X i u - z h e n ，WE I S h e n g - l o n ，Y A N G Yu a n ， S O N G Z u o - l i n g 1 ． Th e De p a r t me n t o f En g i n e e r i n g M e c h a n i c s ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m ， Qi n g d a o 2 6 6 5 8 0 ，Ch i n a ；2 ． C h i n a P e t r o l e u m En g i n e e r i n g Co n s t r u c t i o n C o r p ．Ea s t Ch i n a De s i g n B r a n c h，Qi n g d a o 2 6 6 0 7 1，Ch i n a ；3 ． Th e De p a r t me n t o f P i p e ，B e i j i n g P e t r o c h e mi c a l Eng i ne e r i ng Co ．，Lt d ． Xi ’ a n Su bs i d i a r y，Xi ’ a n 71 00 7 5，Ch i na；4． M e c hni c a l En gi n e e r i ng De p a r t me n t ，S LECC，Do n g y i n g 2 5 7 0 2 6 ，Ch i n a Ab s t r a c t Th e f i n i t e e l e me n t mo d e l o f v e n t i n g s y s t e m o f S u l i g e Ga s f i e l d，t h e f o u r t h n a t u r a l g a s p r o c e s s i n g p l a n t ，wa s b u i l t ，p i p e c l a mp a r r a n g e me n t s c h e me wa s d e t e r mi n e d，a n d d y n a mi c a n a l y s i s o f ve nt i ng s y s t e m wa s c o mpl e t e d ． Add i t i o n a l l y。t he s t r uc t u r a l v i br a t i on r e s p o ns e o f v e n t i ng s ys t e m wa s ob t a i n e d i n t he c a s e of t he who l e p l a nt e m e r ge n c y s hut do wn ． Ac c or d i ng t o t he a na l y s i s r e s ul t s ，m e a s u r e s o f r e du c i ng p i p e vi b r a t i on we r e pr o v i d e d．M e t ho ds a nd r e s u l t s ha v e c e r t a i n r e f e r e nc e va l u e f o r s t r uc t u r e d e s i g n a nd dy na m i c a na l ys i s o f t he o t h e r v e nt i n g s y s t e ms ． Ke y wo r d s n a t u r a l g a s p r o c e s s i n g u n i t ；v e n t i n g s y s t e m ；f i n i t e e l e me n t ；p i p e c l a mp a r r a n g e me n t ；d y na mi c a na l y s i s 随着天然气 的进一步开发利用 ， 天然气处理装 置越来越多， 但在天然气处理装置放空系统 的常规 设计 中， 配管环节仅仅考虑了内压、 温度、 重力载荷 等静力载荷对管道应力 的影响， 并根据相应的一次 应力和二次应力来设计管径 、 壁厚以及约束等参数 。 此种 方案所 设计 的放 空系统在 日常放空 过程 中是 安 全的。但是当天然气处理装置紧急停产放空时 ， 将 在短时间内打开所有 的放空阀进行放空， 需要放 空 收 稿 日期 2 0 1 3 0 4 2 7 作者简介 署恒木 1 9 5 7 一 ， 男， 山东东阿人， 教授， 博士， 从事油气田工程力学、 大型结构分析、 油气装备安全评估、 海工结 构强度分析及寿命预测等研究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 署恒木 ， 等 天然气处理装置放 空系统结 构分 析与管卡布置 的气体流量巨大， 在最危险的工况下 ， 气速接近当地 音速 “ 一4 5 3 ． 0 m／ s ， 放 空气体将会在弯管 、 三通 及异径处对管道产生 巨大的冲击力 ， 并 由此 可能导 致发生放空管撕裂 、 位移过大而脱离管架等安全事 故 。2 0 0 1年 ， 某厂因净化气总阀故 障导致装 置紧急 放空， 由于放空管 网积液、 设计不合理以及放空速度 过大过猛 ， 导致近 5 0 m 放空管道 因冲击严 重而落 地 ， 装 置 被迫 停产 检修 口 ] 。 在 天然 气 处 理 装 置放 空 系 统设 计 中 ， 合 理 地 布 置管 卡 约束 ， 不 仅 可 以限制 放空 管 的位移 ， 降 低其应 力水平 ， 还可 以节省材料 ， 降低成本。 目前， 关于天 然气处理装置放空系统的管卡布置及其动态分析的 文献并不多。为此 ， 笔者 以苏里格气 田第四处理厂 天 然气 处理 装置 为 例 ， 对 天 然 气 处 理 装 置 紧 急停 产 放 空工 况下 的放 空 系 统 进行 瞬 态 动力 学 分 析 ， 以期 获 得放 空管 线 的位 移 与 应力 变化 的数 据 ， 并 据 此 对 放空管线的设计提 出建议 ， 以保证天然气处理装置 在 上述 极端 工况 下 的放空 安全 。 1 天然气 处理装置放空 系统简介 苏里格气 田第 四处理厂天然气处理装置建设规 模为 5 O亿 m。 ／ a ， 主要设增压 区、 脱油脱水 区、 集气 区、 截断阀室一、 截断阀室二 、 清管区、 配气 区以及放 空系统等[ 2 ] 。其中， 截断 阀室至架 1的放空管段 为 埋地敷设 。架 1 、 架 2 、 架 3上 的放空总管为架空敷 设 ， 跨 路采 用 门型架 。 放空 系统 由管 网 系统 和 火炬 系统 两 部 分组 成 。 管 网系统由超压检测仪表、 紧急放空阀组件 、 定压阀 组 件 、 放空 管组 件 等 组成 ， 是 装 置安 全 运 行 的基 础 。 火炬系统主要由阻火装置、 分离罐 、 火炬筒 、 火炬头、 点火器及常明灯等组成 ， 是装置安全运行的关键 。 在第四天然气厂天然气处理装置放空系统设计 时并未考虑其管卡布置问题 ， 在施工过程 中也只是 简单地将放空管放置于管架上 ， 未采取其他 的约束 措施 。然而在 多 次 放 空过 程 中 ， 放 空 管 道 出现 了振 动剧烈 、 位移过大等问题 ， 严重影 响了第 四处理厂的 正常生产工作 。因此迫切需要对放空系统的管卡布 置进 行改 进 。 2放空过程激振 力计算 2 ． 1 放空过程分析 苏里格气 田第 四处理厂在发生爆炸、 大面积火 灾和大面积泄漏等重大安全事故 时， 将 由人工触发 全厂紧急停车按钮 ， 关断所有的天然气进、 出厂紧急 A． 放空火炬B ． 集气 区c ． 增压 区D ． 脱油脱水 区 E ． 截 断阀室 2 F ． 截断 阀室 1 G ． 架 1 H． 架 2 J ． 架 3 图 1 第 四处理 厂天然气放空 系统平 面示 图 截断阀， 同时打开集气区、 增压区以及脱油脱水区等 相关装 置 的放空 阀进 行放 空 。放空 气量会 瞬 间达 到 最大 ， 气速也将接近当地音速 ， 系统很快达到最大放 空状态 ， 并在一段时间内都会保持这种状态 。随着 放空的继续进行 ， 放空气量与气速逐渐下降， 放空管 的振动也将慢慢衰减， 其对系统安全 的影响也将逐 渐 减弱 。文 中以系统 在最 大放空 状态 持续 的 时问段 为模 拟 计算 时长 。 2 ． 2激振力计算 对于天然气放 空管 道 ， 在管 道 的弯头处 或 变 径处等地方都会 产生激振力 。引起激振力 的原 因 主要有两个 其 一是气 流 的速度和方 向发 生改 变 对 管道 产 生 的动 压 力 ， 其 二 是 压 力 方 向变 化 对 管 道产 生 静 压 力 。对 于 9 0 。 弯 管 图 2 ， 激 振 力 按 下 式计 算 ] 图 2激 振 力 不 意 图 F 一 q v - k- p A q m p A 1 5 F 一 - q v v p A q m p A 2 6 式中， 为激振力 z方向的分力 ， F 为激振 力 方 向的分力 ， N； g为重力加速度 ， m／ s ；q 为气体的 体积流量 ， m。 ／ s ； y为气体 的重度， N／ m。 ； q 为气体 的质量流量， k g ／ s ； 为气体 的流速 ， m／ s ； P为气体 压力 ， P a ； A为放空管道 的内截面积 ， m。 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 署恒木 ， 等 天然气处理装 置放 空系统结 构分析与管卡布置 力 2 3 5 MP a比较 可知 ， 放 空管 已经 发生应 力 破坏 。 由图 1 0可知 ， MX 处为系统最大位移处 ， 其值 为 5 ． 6 3 7 m。显然 ， 在不设置任何管 卡约束 的情况 下 ， 放空管系固有频率低 ， 刚度不足， 在放空过程 中 极 易脱 离 管架 而造成 严重 事 故 。 图 1 O 无管卡约束放空系统整体位移 图 由位 移结 果统 计可 知 ， 图 1中 的位置 1 、 位置 2 、 位置 3 、 位置 4对 应 的位 移 值 分 别 为 5 ． 6 1T I 、 3 ． 4 m、 0 ． 2 9 IT I 、 0 ． 3 6 IT I ， 位移较大， 需要施加管卡约束。 4 ． 2 有管卡约束放空系统静态应力分析 根据 4 ． 1节的结果 可知 ， 在位置 1 ～位置 4处 分别设置管卡约束 ， 也就是使用 C P命 令将上述位 置放空管与管架 的水平位移 z或 y方 向自由度 耦 合在一起 ， 其他参数不改变 ， 建立新 的有限元模型。 对新模型进行静态应力分析计算 ， 其整体等效 应力 图见图 1 1 ， 整体位移图见 图 l 2 。 ～ 图 1 1 增加管卡 约束 后放 空系统整体等效应力 图 图 1 2 增加管卡约束后放空 系统整体位移 图 由图 l 1可知 ， 增加管卡约束后系统整体最大等 效应 力发 生在 MX 处 ， 为 1 7 0 MP a ， 此 值 小 于 Q 2 3 5 钢 的屈服 应力 2 3 5 MP a ， 放 空 管 的应 力安 全 。 由图 1 2可知 ， 增加管卡约束后系统的最大位移 为 0 ． 0 3 2 m 图 1 2中 MX 位 置 ， 放 空管 的位 移并 不 大 ， 对 放 空管 系的正 常工作 影 响不大 。 4 ． 3 有管卡约束放空系统瞬态动力学分析计算 由 4 ． 2节分析结果可知 ， 布置管卡约束 以后 的 放 空 系统 ， 其静态 应力 分析 结果 是安 全 的 ， 然 而实 际 工程中放空过程是动态 的， 气体产生的激振力具有 冲击效 果 ， 对 放空 管 的安全 危害更 大 ， 需进一 步 对该 管卡布置方案下的放空系统进行动态应力分析 瞬 态 动力 学分 析 ， 以准确 判 断放空 系统 的安全 性 。 4 ． 3 ． 1参 数 分析 当全厂紧急停产实施放空 时， 放空管瞬间受到 激振 力 的冲击 ， 故 将 激 振 力设 置为 阶跃 荷 载 。在 一 定时间内激振力保持不变 图 1 3 。 载荷F 口 时 I司 图 1 3载荷一 时间关 系曲线 对放空系统整体进行模态分析 ， 取对整体响应 有贡献的最高阶模态为第 2 0 0阶， ，一4 ． 2 1 7 8 。参 照图 1 3 ， 在动态模拟分析 中， 设阶跃载荷在发生阶 跃 的时 间点 附近 0 ～ t 积 分 时 间步 长 为 0 ． 0 0 1 S 。 太小的积分时间步长需要大量的计算时 间， 故将载 荷分 为 2个 载荷 步 0 ～t ， t ～t 。在 第 二 个 载 荷 步 ～ 。 里， 载荷值不变 ， 而将积分时间步长设为 0 ． 0 0 5 S 。将放空系统动态模拟计算 时长设为 2 S ， 共 4 0 0个子步 ， 即需要对模型进行 4 0 0次计算 。 4 ． 3 ． 2 计算 结果分析 布置管卡约束以后的放空系统等效应力随时间 的动态响应见图 1 4 ～图 1 6 ， 图 1 4中z轴为时间轴 ， 日 2 1 6 O 2 4 0 32 0 4 0 0 计算子步 图 1 4 增加管卡约束后放空系统 的最大等效 应力 随时 间的变化 5 0 5 5 5 5 “ 盯 “ 2 2 j 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 署恒木 ， 等 天然气处理装置放 空系统结 构分 析与管卡布置 能量 ， 如 在 固定 管 卡 与 管 道 之 间 衬 以软 木 或 橡 胶 垫 嘲 。 2 放 空 支 管 斜 4 5 。 接 入 放 空 总 管 全 厂 紧 急 停产放空时的放空压差较高 ， 在该高压差下气流冲 击 力很 大 ， 如果 垂 直 接人 会 直 接 作 用 到 放 空 总 管壁 上产生较大的反推力， 容易产生管道撕裂 、 管壁冲蚀 等问题 。斜 4 5 。 插入对气流的冲击力有很大的缓 冲 作用 ， 使反推力降低 ] 。 3 减少弯头数 和减小管道转弯角度 管系激 振力主要产生于弯头和异径管的接头处 ， 因此在管 系 的设 计安 装 中宁 可 多 增 加 直 管 长度 ， 也要 尽 可 能 少用弯头 ， 以减少激振力数 目。又 因弯管处 的激振 力与转弯角度相关 ， 可在必要的位置使用 弯度较小 的弯管 ， 以增强减振效果_ 8 ] 。 4 调整支承位置、 支承刚度及支承个数在易 产生振动、 振幅较大的管段 ， 如放空总管段的各弯头 附近 ， 采取降低支撑高度 、 等间距安排支撑位置、 加 大支撑结构 自身刚度等 ， 使管系各阶固有频率避开 激发频率 ， 以避免机械共振的发生_ g ] 。 5 采用管道减振措施 在激振力较大 的弯头 处 采用 管道 减振 器 或 液压 式 阻 尼 器 如放 空 总管 段 各 门架 附 近 。 6 埋地敷设 为 了避免袋形弯和便 于维护检 修 ， 对处于复杂地 形的酸气管道 ， 不推荐埋地敷设。 普光气 田集气站 内流程管道均在地上布置【_ 】 。 7 加 强检查 与 管理 定 期检查 紧急放 空 阀 、 安 全阀、 放空支管及其与放空总管的连接情况 ， 防止在 紧急放空时由于气速过快和气流不稳定而加剧管道 振动， 使管道连接处出现裂缝 ， 发生断裂脱离事故 。 6 结语 在国内首次对天然气处理厂放空系统进行了全 面的动态分析计算 ， 文 中提出的管卡布置分析方法 及其 结 果 ， 可 以保 证放 空 系统 的安全 运 行 ， 研 究结 果 对 以后 相 同类 型 的放 空系 统设 计具 有指 导意 义 。 参考文献 [ 1 ] 傅敬强 ， 宋文 中． 天然气净化厂紧急停开产安全 保障措 施探讨 [ J ] ． 石油与天然气化工 ， 2 0 0 7 ， 3 6 2 1 7 3 1 7 6 ． F U J i n g q i a n g， SONG W e n - 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