Flange Cover裝置在海洋油氣儲運設施上的應用分析

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(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.武漢理工大學 能動學院，武漢 430063)

Flange Cover裝置在海洋油氣儲運設施上的應用分析

劉焰明1，劉吉飛1，程久歡1，朱漢華2，范世東2

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.武漢理工大學 能動學院，武漢 430063)

針對Flange Cover的安裝空間及形式需求；在設計中采用經驗公式對Flange Cover的尺寸及結構強度進行計算，采用ANSYS及CFD等數值分析輔助工具進行模擬及核算，得出滿足安裝、強度及J-60防火要求的Flange Cover形式。

立管；Flange Cover；J60；ANSYS；FLUENT

采油生產設施中輸油氣立管的法蘭連接處是潛在泄漏點，需要對連接處與危險區進行隔離保護。目前，國內外有學者對于壓力容器設計，以及JET fire的研究較多[1-5]，但大多針對具體項目需求而言，對別的項目不完全適用。Flange Cover如圖1所示，其設計理念為極端工況下法蘭連接處發生泄漏甚至發生斷裂時保護人員及儲油設施的安全性，該設計理念逐漸得到業內的認可，目前世界上已經有很多廠家開始介入研發并生產，國內也有廠家在其設計及計算分析方面取得了較大的進展。

圖1 Flange Cover概念樣本

Flange Cover裝置是FPSO、海洋平臺和其他海洋設施的重要安保設備，這里對其功能、安裝、布置要求和相關計算等問題進行分析，期望推進該裝置的應用。

2 Flange Cover的功能及相關考慮因素

1)法蘭泄漏時,控制泄漏流體從Flange Cover出口遠離船體。

2)在海洋大氣環境下能承受住腐蝕，易于操作和維護。

3)可將ESDV閥與外界環境隔離。

4)氣體泄漏時，Flange Cover強度設計時應能承受流體泄漏時帶來的機械載荷，氣體在外部燃燒時，其材料的防火性能，能保護立管免受燃燒流體的進一步影響。

5)Flange Cover的強度設計時應能承受立管泄漏時帶來的機械載荷及熱載荷，外壁能滿足J60等級的防火設計需求。

6)需考慮1.5倍的安全因子。

7)需考慮風載、地震加速度等極端工況。

某FPSO項目立管位置Flange Cover安裝見圖2，立管左側為油艙。一旦法蘭連接處發生泄漏產生火苗并蔓延至船體，帶來的危害及損失難以計量。

由圖2a)可知，Flange Cover安裝在絕緣法蘭以及SDV閥2側，每根立管共安裝3套。

3 Flange Cover的布置與流場分析

Flange Cover設計基于Riser內部的流體工況，以流體極端工況為邊界條件，Flange Cover的尺寸、形狀、內腔大小、泄漏口形狀、外壁壁厚及防火材料性能將基于Riser內大、中，小3種流體工況進行計算。

圖2 Flange Cover安裝示意

圖3 Riser平臺區域布置

3.1 Riser相關布置

1)立管布置圖及ISO布置。立管與ISO布置圖給Flange Cover的安裝提供參考，為Flange Cover的尺寸大小是否滿足安裝、操作維修要求提供核實依據。見圖4。

圖4 管線安裝

2)SDV閥與Flange Cover布置。Flange Cover的外形尺寸設計時基于所保護閥門及法蘭的尺寸大小，并結合考慮法蘭螺栓的長度尺寸信息，對于緊湊型閥門，Flange Cover設計時應考慮將整個Flange Cover進行全包圍，Flange Cover應給閥體與執行機構連接桿開孔，并考慮密封。

為了充分考慮Flange Cover的安裝空間及密封，Flange的尺寸參考對應的ASME B16.5，NORSOK L-005，API 6A等設計標準。

3)Riser terminal終端布置。對于保護旋轉法蘭與立管法蘭的Flange Cover，設計時除需SWIVEL法蘭資料外，立管終端的結構詳細尺寸圖也是需要的，見圖5。

圖5 Riser terminal結構

對于關斷閥與法蘭等被保護的結構來說，孔徑、長寬尺寸、螺栓孔距等關鍵參數在設計時被重視，而其他非承壓部位的設計會存在的偏差，因此，為保證Flange Cover的安裝空間及密封精度，對關斷閥及RISER終端的現場測量至關重要。

3.2 主要工藝參數

A為管線最高操作壓力；B為60 min內的烴化物最大泄漏量；C為泄漏烴化物最小密度；D為泄漏烴化物最大密度；E為管線操作溫度，℃；F為Flange Cover將承受的最小溫度，高壓氣體膨脹吸熱時所產生的低溫，通常由CFD計算結果獲??；G為JET FIRE工況下最大泄漏量(考慮最高溫度1 200 ℃,至少持續60 min)；H為爆炸載荷；I為最低環境溫度；W為最大風速。參數選取基于ODP設計中防火煙霧分析報告，其中泄漏量、泄漏物密度等對應不同組分的參數，取最大值。

3.3 Flange Cover的計算與分析

Flange Cover設計關鍵點：①Flange Cover結構材料能抵御立管流體泄漏時產生的壓力沖擊；②60 min內能抵御氣體外部燃燒時的帶來的熱載荷。因此，計算主要包括結構計算，核算框架結構是否能承受流體泄漏帶來的壓力沖擊；流體計算，計算泄漏工況下流體場及溫度場的分布。

Flange Cover的設計計算基于經驗公式以及數值計算。在前期設計階段，通過經驗計算估算Flange Cover的尺寸及開口大小，利用UG或SOLIWORKS等三維建模軟件建立模型，在ANSYS或CFD中建模后，輸入邊界條件，驗證所選型結構的合理性，并作局部加固。

1)經驗計算公式。

在Flange Cover與立管空間里，最大的力為環向應力σ

(1)

式中：p為壓力；D為直徑；t為計算壁厚。

為了簡化計算，泄漏量與管線直徑、Flange Cover開孔尺寸、立管內壓、Flange Cover內空腔大小線性相關。

(2)

(3)

式中：pe為Flange Cover內腔壓力；pr為立管內壓力；Se為Flange Cover開口面積；Sr為立管有效截面積；C為排放系數，泄漏工況時為0.62，斷裂時為0.8；tf為Flange Cover壁厚；De為Flange Cover直徑；f為應力因子；σr為材料的屈服強度。

2)數值計算。算例中Flange Cover及立管內的流體分析與計算基于納維-斯托克斯方程，采用連續性方程，動量方程及能量方程。流場的分析基于連續性方程與動量方程，溫度場的計算基于能量方程。為簡化計算，假設法蘭為剛性單元，Flange Cover為板單元，算例中計算采用ANSYS FLUENT軟件，網絡劃分依靠shell 281單元。

取A=50 MPa，B=400 kg/s，C=800 kg/m3,D=960 kg/m3,E=40 ℃,G=15 kg/s,I=12 ℃,H=30 kPa,W=20 m/s。

圖6 Flange Cover結構受力計算云圖

圖7 流體場分布

計算表明，flange連接處受力最大，此處通過設置阻尼器或局部增加壁厚的方法予以加強。

同時，Flange Cover內壁與Flange外壁距離增大時，所需最小壁厚將會減小，但距離增加到一定值時，對壁厚的影響將大幅減小。

經過分析驗證后的Flange Cover模型外形見圖8。

圖8 某廠家Flange Cover樣本圖

目前常見產品材料組成主要有以下2種。

1)復合材料加涂層。該種類型的產品采用的是復合材料，產品外表面防火涂層較薄，結構與涂層本身具有重量輕，防腐性能好，具有較好的防火性能，但是，復合材料本身的造價較高。

2)不銹鋼+PFP涂層。該種類型的產品承壓內件采用316L牌號不銹鋼，外表面防火部件采用Chartek 7,Leighs Paint等品牌PFP。不銹鋼內件使得產品本身重量較大，同時PFP涂層在結構連接處的噴涂比較困難，但是其價格相對于復合材料較低。

4 結論

Flange Cover裝置的應用目前尚處于初級階段，備受行業關注，目前已有2條FPSO上采用了該裝置，其并無統一的設計制造標準及材料標準。因此，從設計階段開始，設計方需將圖紙資料及計算程序送用戶及船級社審查，每一個階段批準后方能開始下一步工作。該裝置具有以下幾個不同的安裝和安全特點。

1)與高壓壓力容器不同的是裝置的半敞口設計，泄漏氣體將要求向船舷外側噴射，因此，密封的要求形式與壓力容器有一定的差別。

2)泄漏產生的氣體在壓力的作用下，將會遠離Flange Cover，因此，裝置的Jet fire分析需要考慮該影響。

各大船級社沒有針對Flange Cover裝置的產品認證要求。不同的設計方設計出來的產品差別較大，這給用戶的選型帶來較多的困難。隨著該安全設計理念被BP、巴國油等國外知名公司接受，本裝置的應用將會越來越多，需制定相應的驗收標準及細則，主要應包括以下幾點。

1)產品的結構強度驗收，包括計算報告。

2)防火測試，外壁材料的J60等級要求。

3)密封測試，主要體現Flange Cover各部位連接處的密封測試，以及Flange Cover與RISER部件的密封測試。

[1] Ana Helena Pedro Martinelli, Analysis and design of a Flange Cover using fluid structure interaction[A]. 2013 ESSS CONFERENCE& ANSYS USERS MEETING[C],2013. Atibais, SP-Brasil: 2-P33.

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Application of Flange Cover in Offshore Oil and Gas Storage and Transportation Facilities

LIUYan-ming1,LIUJi-fei1,CHENGJiu-huan1,ZHUHan-hua2,FANShi-dong2

(1 China Offshore Oil Engineering Corporation, Tianjin 300451, China;2 School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

The function and installation position of the flange covers was analyzed. According to the requirements for installation space and types of the flange covers, the basic dimension and strength were calculated by experiential formula firstly, and numerical tool of ANSYS and CFD were applied for simulation and checking of flange covers. A new type of flange covers was designed which can meet the requirements of installation, strength and J-60 fire resistance.

risers; Flange Cover; J60; ANSYS; FLUENT

U674.38

A

1671-7953(2017)05-0111-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.029

2016-09-22

修回日期：2016-10-19

劉焰明(1983—)，男，碩士，工程師

研究方向：海洋石油平臺設計