工藝管線柔性分析的規范管理

程君（中石化石油工程設計有限公司，山東　東營　257026）

工藝管線柔性分析的規范管理

程君（中石化石油工程設計有限公司，山東東營257026）

鑒于柔性分析在工藝管線設計中的重要性和不規范設計的現狀，結合國外良好工程實踐，重點從設計目的、保證手段、具體措施和實施效果等方面，闡述了規范管理的要點；并提出了一體化、專業化的設計解決方案。

工藝管線；柔性分析；實踐；規范化

工藝管道系統應具有足夠的柔性，以防止由于熱膨脹或收縮或管道支架和管端的位移，而產生有害的應力、變形、損壞或泄露。柔性分析就是確定管道系統內的柔性要求和保證管道系統符合這些要求［1］。柔性分析在國外工藝管線設計中已形成了完善的體系；而國內設計往往不進行柔性分析，或即使分析，也存在不全面、不深入、不跟蹤的弊端，無法真正體現設計的實際價值。

下面結合國外良好工程實踐，從設計目的、保證手段、具體措施和實施效果等方面，論述規范化的柔性分析管理，以期借鑒提高，形成目的明確、手段科學、措施嚴謹和效果實用的國內體系。

1　設計目的

柔性分析的目的是通過驗證管線系統在設計壽命內在承受各種內外部可能負荷情況下的結構完整性，而確保管線系統的安全。

在美國壓力管線標準中，上述負荷主要分成持續負荷、偶然負荷和位移負荷三類。偶然負荷又可分成風力負荷、地震負荷、PSV（壓力安全閥）反作用力等；亦有將PSV反作用力、水擊作用、地震負荷等統稱為動負荷的［2］。

在進行柔性分析后，主要將：確定管道組成件的應力在允許值之內；解決由于機械振動、聲致振動等引起的動態問題；解決由于較高或較低操作溫度引起的相關問題。

此外，尚應通過優化管線設計、合理布置支架、進行管線分類和運用專業軟件等手段措施，在滿足柔性功能要求的同時，盡可能節省人工日和材料量，實現經濟效益最大化。

2　保證手段

科學的保證手段包括合理的工作流程、實用的管線分類和高效的分析軟件等。

2.1合理的工作流程

（1）識別應力關鍵管線。

（2）編制應力關鍵管線清單。

（3）將管線進行分類。

（4）識別應力系統。

（5）根據優先度選擇管線應力系統。

（6）列出應力系統包含的管線。

（7）檢查管線參數的完整性。

（8）檢查適用于所選系統的偶然負荷。

（9）記錄項目的環境數據。

（10）在應力分析軟件中對系統建模。

（11）列出系統的所有工況條件。

（12）確定系統的負荷組合。

（13）計算負荷的累積效應。

（14）確定系統的允許值，判定是否安全。

（15）根據需要增加系統柔性。

2.2實用的管線分類

建立關鍵管線清單是應力分析的基礎，而區分關鍵或非關鍵管線也將在確保管線安全的同時最小化分析工作量。

借鑒國外經驗，需進行計算機分析的關鍵管線根據影響因素可分成4種。

2.2.1應力關鍵管線：基于管線溫度進行判別。

（1）溫度在260℃及以上或-200℃及以下DN80至DN125管線。

（2）溫度在120℃及以上或-100℃及以下DN150至DN600管線。

（3）溫度在60℃及以上或-40℃及以下DN650及以上管線。

（4）溫度100℃及以上非鐵材料管線。

（5）所有尺寸的夾套管。

（6）預先確定設置膨脹節的管線。

（7）強制規定應進行正式計算的管線。

（8）與關鍵管線相連且對柔性影響重大的本身非關鍵管線。

2.2.2設備關鍵管線：指與應變敏感設備相連的管線。

（1）與離心泵相連管線，且最大操作溫度120℃及以上或最小操作溫度-100℃及以下DN65以上管線和最大操作溫度60℃及以上或最小操作溫度-40℃及以下DN150以上管線。

（2）離心泵之外的轉動機械，如蒸汽輪機、離心壓縮機等。

（3）加熱爐和重整爐。

（4）往復式壓縮機。

（5）空冷式換熱器。

（6）制造商指定較小管嘴負荷的設備特殊件。

2.2.3泄壓關鍵管線：指壓力泄放設備（如泄壓閥、放空閥等）的上下游管線。

（1）進口管線DN65及以上、設定壓力5.0kg/cm2及以上的泄壓閥和控制閥。

（2）尺寸及壓力要求同上的爆破片下游管線。

（3）M類流體管線：在管線規格書中標識為ASMEB31.3M類流體且DN40及以上的管線。

注：上述選擇標準不盡統一，如殼牌公司要求對與旋轉設備相連的DN80及以上工藝管線、兩相流管線、DN100及以上火炬管線等進行計算機分析［3］。

2.3高效的分析軟件

在進行柔性分析時，人工分析方法受限于支架的數量及類型、系統的溫度變化等，難以或甚至不可能用于解決真正復雜的問題，許多專業軟件因此應運而生。當前可用的柔性分析軟件有CAESAR II（常用）、ADLPIPE、AUTOPIPE、CAEPIPE等。

管線的幾何形狀及參數數據等被輸入軟件，采用有限元方法進行分析，由管線工程師對分析結果進行解釋，以確保安全及經濟指標。

隨著科技的發展和軟件的兼容，在國際項目設計中，已普遍采用3D軟件對裝置建模，在部分3D軟件中，可生成應力關鍵管線模型文件，直接輸入CAESAR II軟件進行應力分析，極大提高了工效。

3　具體措施

為充分發揮保證手段的核心作用，有必要先行完善組織措施、優化管線設計和合理布置支架。

3.1完善組織措施

組織措施此處特指圍繞應力關鍵管線正式形成的一體化責任分工和全過程實施步驟，做到設計合理、采購優質、施工重視，以確保管線柔性效果達標。

（1）設計部：管線工程師協同應力工程師編制初版關鍵管線清單；基于PID變更及管線一覽表調整，定期升級關鍵管線清單；管線工程師和應力工程師篩選出需計算機應力分析的關鍵管線，由應力工程師進行分析；設計總工在管線一覽表上標出關鍵管線后發給相關部門。

（2）采購部：對于供應商設計的橇塊，基于關鍵管線清單，指示供應商進行相應技術配合；對于用于關鍵管線的材料，質量應優先考慮。

（3）施工部：應正確理解關鍵管線的重要意義，在施工及試運階段高度重視，管線管件和支架務必按圖施工。

3.2優化管線設計

根據關鍵管線選擇標準，應重點優化與應變敏感設備相連和容易產生振動的管線設計。

優化設備管線

與設備相連管線的設計要求較多，此處僅以離心泵進出口管線直管段幾何長度為例進行說明：為最小化對離心泵進口的擾動，應確保從最后一個彎頭到進口的直管段（不包括大小頭、過濾器和關斷閥）足夠長，如對于端進單吸泵，直管段不應小于4倍管徑。

3.2.1減輕管線振動

聲致振動（AIV）和流致振動（FIV）研究雖然正規，但其在設計階段的時間靠后。為最小化對設計變更和材料采購的影響，有必要在設計初期采取相應措施：

（1）在項目早期階段識別易受AIV/FIV影響的管線。

（2）采取典型減振措施，如：增加管線壁厚；鑲入式支管嘴代替焊接式支管臺；PSV閥出口支架采用全補強板；DN50及以下小口徑支管從主管上進行斜撐；減小懸臂自由端質量等。

（3）采取專用技術措施：針對AIV，應選用低噪聲閥內件和避免PSV上下游法蘭短節。為緩解FIV，對于高壓差閥門，應在上下游提供法蘭短節以滿足在兩側分別安裝固定和滑動支架等。

此外，在支管尺寸和連接形式方面也應借鑒國外良好工程實踐，如：國外支管尺寸最小為DN20，國內常采用DN15支管，更易振動而致連接處疲勞破裂；國內支管常用螺紋連接形式，但由于螺紋連接存在隙間腐蝕缺陷和容易泄露，所以國外在烴類主管線及支管第一個連接處現已普遍采用法蘭連接形式。

3.3合理布置支架

在ASMEB31.3中，將管線支架的設計目的總結為10條，可概括為靜力、運動和形態等3個方面。國外設計結合管道支架原理，通過工程判斷和簡化計算，即可先行合理確定自由、導向等一般管架的位置和型式。而對于固定、限位和特殊支架，則需要結合工程實踐、特殊要求、支架參數和精確計算先行定性判斷最后定量確定。

國外工程實踐常常對支架的位置或型式進行了比較具體的規定，如對于與油罐連接的管線，為應對罐沉降和垂直管段的熱膨脹，第一個管支架應距罐足夠遠，甚至按不同管徑編制了相應的距離表。基于對建設和操維工況的深入研究，建議采取相應優化措施：補償管線溫度變化對支架產生的影響；應對拆卸閥門后斷開管段對設備管嘴施加的額外載荷；布置可調支架滿足更換管嘴墊片及隔離件時對法蘭間隙的要求；在支架和管線之間墊入柔性材料減振降噪；考慮其它特殊支架需求。

4　實施效果

4.1針對性檢查

建立標準化檢查表，對比確認柔性分析步驟遵循程序，在發生相關設計變更或收到新的輸入數據時及時檢查更新，在機械完工前對關鍵管線進行專項三查四定，在試運、投產時將彈性/可調支架和柔性特殊件等設置到位，以確保現場實物狀態滿足柔性分析要求。

4.2持續性改進

在裝置正式運行后的缺陷整改期，跟蹤和回訪關鍵管線使用情況，重點關注位移及振動等超標情況和設備管嘴、支架、特殊件、小口徑支管及閥門等故障狀態，針對問題進行原因分析，在實踐中解決問題和積累經驗，以實現柔性分析水平的持續性提高。

5　結語

為改善國內工藝管線柔性分析尚不規范的現狀，建議有實力的綜合設計院和專業化公司掌握柔性分析的核心技術，分別實施一體化和專業化策略，在提供內部或外部柔性分析服務實踐中，實現高附加值設計，滿足生產安全。

［1］ASME.Process Piping:ASMEB31.3［S］.New York:ASME，2010:36.

［2］Standards Norway.Piping System Layout，Design and Structural Analysis:NORSOK Standard L-002［S］.Lysaker:Standards Norway，2009:28.

［3］Shell.Piping-General Requirements:DEP 31.38.01.11［S］.Netherlands:ShellGSI，2010:22-23.

程君：高級工程師；本科，1995年畢業于大慶石油學院；碩士，2004年畢業于石油大學（北京）；主要從事國內外油氣田地面工程EPC和PMC項目管理