降低大跨度大尺寸低温管道位移的多次补偿柔性设计

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(中海油能源发展股份有限公司 天津人力资源服务分公司， 天津 300457)

近年来，国内对天然气的需求量增加快速，与此同时，液化天然气(LNG)项目建设也发展迅速[1-5]。天津LNG项目码头由LNG船码头和浮式存储气化船(FSRU)码头组成。一期浮式阶段，停靠在LNG船码头的LNG运输船通过定期向FSRU卸料来保障连续供气。2个码头之间卸料管道/液化天然气蒸发气(BOG)返气管道长度大约为800 m，卸料管道直径为1 066.8 mm(42″)、返气管道直径为711.2 mm(28″)，管道材料均为304/304L。当两船卸料的间隔时间比较长时，需要处理卸料管道中的LNG，否则卸料管道中就会多次出现降温、升温的过程。

管道柔性设计对管道布置有非常大的影响[6-8]，设计阶段就必须充分考虑多次温度变化对管道带来的影响，因此，从配管开始就应对管道柔性状况进行综合分析，防止在试车、运行过程中出现管道塑性位移、管道破裂等风险。文中以大跨度、大尺寸卸料管道和返气管道为重点，分析整个低温管道的柔性设计情况。

1 管道柔性设计要求

1.1 管线柔性设计整体要求

管道柔性是指卸料管道通过自身的形变吸收应力，即满足从2个码头LNG臂到返气臂管口之间的力矩要求，同时满足管道设计的稳定性、安全性以及工艺温降、升压的基本要求。

在布置直径为1 066.8mm(42″)、711.2 mm(28″)这样大尺寸的管道时，首先应当通过几何形状的合理布置使管道具有足够的柔性，防止在预冷等过程中管道因发生冷缩和位移受约束而产生过大应力，导致产生管道疲劳、管支架损坏、接头处发生泄漏等问题[9-10]。

在卸料过程中管道产生的内压和持续外载荷作用下产生的一次应力[11-12]，应该不大于管道材料304/304L的许用应力。持续外载荷是指管道自重(包括LNG介质的重量、管道保冷材料的重量)、风载荷和雪载荷等。选择管道支架时，这些外载荷均必须考虑。

管道在预冷、升温和位移受约束时产生的二次应力，应不大于管道材料304/304L的热膨胀许用应力。应确保管道一次和二次应力满足ASME B31.3—2016《工艺管道》[13]规范要求，确保在操作基准(OBE)工况下的管道偶然应力满足ASME B31.3规范要求，确保在安全停运(SSE)工况下管道的偶然应力不超过其屈服强度。

1.2 管道支架基本设置原则

天津LNG项目中的管支架主要分为固定支架、滑动支架和弹簧支架3大类[14-19]。固定支架在竖向、纵向(沿管道轴向)及横向(管道径向)均限制管道的位移，其所受的纵向水平力由区段内活动支架对管道的作用力、伸缩反力和管道的不平衡内压力构成。活动支架只是在管道竖向、横向限制管道移动，纵向移动是允许的。

卸料管道和BOG管道比较长，需要合理设置固定支架和滑动支架，以便对管系整体应力进行分配。输送LNG时，在LNG介质和大气变化等载荷的作用下，长距离、大跨度卸料管道产生的位移比小尺寸管道产生的位移更为严重，产生的危害性也更大。采取每隔一段距离设置1个固定点(固定管支架)，在2个固定点之间采用补偿措施的方法来降低管道位移，这样卸料管道和BOG返气管道就被分成了若干区段，每个区段支架的热胀冷缩量由这一区段的补偿措施吸收，活动支架所受的力也通过该区段管道传递给固定支架，使整个系统获得更高的稳定性和安全性。

2 管道膨胀弯柔性设计

膨胀弯柔性设计是降低管道应力和位移的有效办法，是管道柔性设计的关键环节。管道中弯管的内力和变形通常与其形状有关，膨胀弯的设置选择了Z型、π型、L型、S型等形式。

2.1 卸料管道膨胀弯选择

卸料管道经过码头后就进入栈桥，栈桥上的管道较长，所以在管道经码头下栈桥位置设置了固定点，以保障码头上的卸料管道不受栈桥管道冷缩位移的影响。

码头下栈桥管支架设置情况见图1。该固定点处的管道和支架之间不允许产生相对位移，支架承受区段间产生的全部纵向水平推力。通过该固定点可以实现码头和陆域部分的管道分段。

图1中标出了码头卸料管道的节点编号，码头固定点编号为85，在该处设置固定管支架。LNG码头到浮式码头段的管道距离较长，需合理设置固定点，以防管道位移过大拉坏管道。

根据本项目的管道布置，为了有效控制管道的冷缩位移，增加管道的稳定性，分别对采用L型、Z型和π型膨胀弯补偿的方案进行应力分析。其中L型和Z型是利用了管道走向进行的自然补偿，对东西向超过260 m的管道则设置了π型膨胀弯。由于整个卸料管道尺寸比较大(1 066.8 mm)，使用温度为-165～45 ℃，温差也较大，因此，需要综合应用L型、Z型和π型膨胀弯才能有效控制管道的冷缩位移，增加管道的稳定性。

卸料管道不同形式补偿措施见图2～图4。图2中，从码头到卸料管道的2个固定点形成L型补偿。

图3中，卸料管道部分的2个固定点形成Z型补偿。

图4中，在卸料管道中间部分的3个固定点形成2个π型补偿。

图1 码头下栈桥处管支架设置

图2 卸料管道L型补偿措施

图3 卸料管道Z型补偿措施

图4 卸料管道π型补偿措施

2.2 BOG返气管道膨胀弯选择

通常BOG返气管道和卸料管道是平行布置的，而且工作温度范围相似，因此BOG返气管道的补偿处理方法与LNG卸料管道的类似，采取L型、Z型和π型补偿弯进行多次补偿，得到的补偿方案见图5。

图5 BOG返气管道补偿措施

2.3 其他补偿措施

卸料管道及BOG管道尺寸较大，所以冷缩位移较大，离固定点越远，管道位移也会越大。为此，设计时作了以下考虑：①因膨胀弯两边位移较大，故膨胀弯臂长可以考虑适当加长。②膨胀弯附近及其他位移较大处的保冷管支架要足够长，以防止管支架滑落到结构梁下后无法回位而拉坏管道。③膨胀弯及位移较大处的管道间距要足够，防止管道之间的碰撞。④主管位移较大处如有支管接出，则设置支管时应考虑柔性设置，以防止三通处因应力集中而被拉坏。

采用CAESERⅡ软件计算得到的卸料管道较大位移点理论分析结果见图6。从图6中可以看出，大位移点基本出现在L型结构、Z型结构以及π型结构处，通过采取多次补偿措施极大地降低了管道的位移风险。在计算结果中，卸料管道最大的横向位移为160 mm，最大的纵向位移为128 mm。

图6 卸料管道产生较大位移点理论分析结果

3 管道柔性设计实施效果

2013-11-09，天津LNG项目开始接收站预冷工作，2013-11-11完成首次预冷。预冷过程中检查各连接部位，对法兰连接处进行冷紧。整个预冷过程中降温速度控制在30 ℃/h以内，卸料管道上下部温差控制在50 ℃以内。

2013-11-09～11-11预冷过程卸料管道x、y、z方向位移实测值见表1。从表1可以看出，整个预冷过程中卸料管道位移小于100 mm。

表1 预冷过程卸料管道当日最大位移实测值 mm

4 结语

在天津LNG项目管道柔性设计中充分发挥了管道支架的作用，将大尺寸、大跨度管道分成了几个大的区域，尽量减少支架对管道的约束，可使整个管道系统尽可能地自由变形，从而降低二次应力/热推力。

充分考虑卸料管道大跨度的实际情况，采用固定管支架分段，利用L型、Z型、π型膨胀弯进行多次补偿，有效消除了预冷等工况产生的应力，使预冷过程中卸料管道位移小于100 mm。

管道柔性设计是控制管道位移的基础，实际操作中严格监控开、试车及运行阶段的操作参数是维护管道安全运行的核心。

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