天然气放空管道选材分析.pdf

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1、第 4 4卷第 2 期 石 油 与天 然 气 化工 CHEMI CAL ENGI NEE RI NG OF OI L 8 L GAS 1 1 3 天然气放空管道选材分析 刘 伟 李 朋 张 哲 1 新疆石油勘察设计研 究院( 有 马 娜 戴兴 星 张玉婷 限公 司) 2 新 疆 油 田 公 司采 气 一 厂 摘 要 对 高压天 然 气放 空管 道 的选材 进行 了研 究 。天 然 气管道 放 空 时 温度 较低 ， 超 出了普 通碳 钢 的使 用温度 下 限 ， 需按 “ 低 温低 应 力 工况” 考虑 。通 过 对某 天然 气放 空管道 的操作 温度 、 操 作压 力及 应 力进行核算， 分

2、析其是否处于“ 低温低应力工况” 。结果表明， 放 空管道操作压 力低 于 1 0 MP a ， 正常操 作 时的 轴 向拉 应 力低 于材料 标 准规 定 的 2 O 钢 最 小抗拉 强度 值 的 1 O ， 管 道操 作 工 况 处 于“ 低 温低 应 力工 况” ， 管道材 质 可 以使 用 2 0 钢 。 关键 词 放 空管道 放 空 温度 低 温 低应 力 背压 选 材 中图分 类号 ： TE 9 7 3 文献 标 志码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 3 4 2 6 2 0 1 5 0 2 0 2 5 An a l y s i s

3、 o n m a t e r i a l s e l e c t i o n o f n a t u r a l g a s v e nt p i p e l i ne Li u W e i ，Li Pe ng ，Zha n g ( 1 C h i n a Pe t r o l e u m En gi n e e r i ( 2 Xi n j i a n g Oi Z f i e l d Co mp a n y Zhe ，M a Na ，Da i Xi ng x i ng ，Zh a ng Yu t i n g n g ( Xi n j i a n g)Co ，Lt d， Ka r a ma

4、y 8 3 4 0 0 0，Ch i n a ) No 1 Ga s Pr o d u c t i o n Pl a n t ， Ka r a m a y 8 3 1 2 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：The ma t e r i a l s e l e c t i o n o f hi gh p r e s s ur e na t ur a l ga s v e nt p i pe l i ne wa s s t u d i e d The o pe r a t i n g t e mp e r a t u r e o f n a t u r a l g

5、 a s v e n t p i p e i s l O W，wh i c h e x c e e d s t h e a v o wa b l e l o we r 1 i mi t t e mp e r a t u r e o f or d i na r y c a r bo n s t e e 1 I n t hi s c a s e， l ow t e m pe r a t ur e a nd s t r e s s c o n di t i on s s ho ul d b e c o ns i d e r e d By c a l c ul a t i ng t he ope r

6、a t i o n t e m pe r a t ur e，o pe r a t i on pr e s s u r e a nd s t r e s s o f a na t ur a l g a s v e n t p i pe， wh e t h e r i t i s i n t he c o nd i t i o n o f l o w t e m p e r a t u r e a nd l o w s t r e s s i s a na l y z e d The r e s ul t s s ho w t ha t whe n t he v e nt p i pe op e

7、r a t i ng pr e s s u r e i s b e l o w 1 0 M Pa f o r no r m a l o p e r a t i on，t he a x i a l t e ns i l e s t r e s s i s be l o w 1 0 of t he m i ni mum t e ns i l e s t r e ng t h v a l ue of s t e e l 2 0 Pi pe l i ne o pe r a t i on c on di t i o n i s“ l ow t e mpe r a t ur e a nd s t r e

8、s s c o nd i t i o n” The r e f or e，2 0 s t e e l c a n be us e d a s n a t ur a l g a s v e nt p i pe Ke y wo r d s：ve n t p i pe l i ne，v e nt t e m p e r a t ur e，l o w t e m pe r a t u r e，l ow s t r e s s，b a c k pr e s s u r e，m a t e r i a l s e l e c t i o n 高压天然气放 空管道放 空时温度较低 ， 参 照 GB 5 0

9、3 1 6 2 0 0 0 ( 2 0 0 8版 ) 工 业金 属 管 道设 计 规 范 中管 材使 用温 度 下 限进 行 设 计 口 。 目前 ， 大 多数 放 空 管 线 采用 3 0 4等耐低温的不锈钢管材 。但 由于放空主管道 通常较长 ， 口径较大 ， 若采用不锈钢投资较高 ， 故需研 究采用碳钢材质替代 ， 以降低工程投资的可能性。对 于承受压力不高 、 应力不大的低温低压环境所使用 的 管线 ， 各工业发达国家 的压力管道建造规范均提 出 ， 处 于低应 力水 平 的钢 材会 大大 降 低 其低 温脆 断倾 向 。 因此 ， 各 国规范 均 以不 同形 式 或 不 同程 度地

10、规定 了对 于“ 低温低应力工况 ” l_ 3 下 的低温管道， 可以提高钢材 的冲击试验温度 ， 相当于提高 了该管道的设计温度 ， 继 而以提高后的材料试验温度作为设计条件对该管道的 建造提出要求。也就是说 ， 对于“ 低温低应力工况” 下 的低温管道 ， 可以降低材质的允许使用温度 ， 而不必要 增加另外的材质试验和制造试验要求 。以新疆油 田呼 作者简介 ： 刘伟 ( 1 9 8 6 一) ， 男 ， 助理 工程 师 ， 主要从 事天然气集输与处理方面的工作 。E - ma i l ： p 1 w f 0 m i 】 。 o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c

11、o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 4 4卷第 2 期 石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG 0F 0I L 8 L GAS 根据 以上计 算结果得 到放空前 后放空 阀操作参 数 ， 见 表 3 。 表 3放空前后放 空阀操作参数 Tabl e 3 Ope r at i n g par ame t er s be f or e an d af t e r p r es s u r e r el i eving o f eq ui p me n t 由表 3可知 ， 放空温度 最低 可达 一7 O 7， 若参 照 GB 5 0 3

12、 1 6 2 0 0 0 ( 2 0 0 8版 ) 规 定 ， 2 O 钢 最低 使 用 温 度为 2 O l 1 ， 低 合 金 钢 1 6 Mn最 低 使 用 温 度 为 -4 0 oC， 3 0 4或 3 1 6等不 锈钢 的最 低使 用 温度 为 一 1 9 6 ， 则 放 空管线 需 采用 不 锈钢 材质 。 3 放 空管道应力核算 天然气站厂内操作压力一般较高 ， 当设备或管道 放空时， 气体压力 急剧 降低产生焦耳一 汤姆逊膨胀 ， 使 气体的温度迅速降低。并且放空管道操作压力一般较 低 ， 对于压力不高、 应力不大的低温压力管线极有可能 处于低应力水平 ， 处 于低应力水平 的

13、钢材会大大降低 它 的低 温脆 断倾 向 ， 我 国规 定这 种工 况称 为 “ 低 温低 应 力 ” 工 况 ， 以下 为“ 低 温 低应 力” 工 况 的规 范说 明。 3 1“ 低 温低 应 力” 工 况 GB T 2 0 8 0 1 2 2 0 0 6 压 力 管 道 规 范 工 业 管 道 规 定 ： “ 低温 低应 力 工 况 ” 是 指 能 够 同时 满 足 以 下各 项 条 件 的工况 _ 6 ： ( 1 )低温情况下的最大工作压力小于等于常温下 管道最大允许工作压力 的 3 0 。 ( 2 )管道 在 压力 、 重 量 和 位 移 作 用 下 产 生 的轴 向 应力之和小于等

14、于材料标准规定 的最小抗拉强度值的 1 0 。 ( 3 )仅 限于 GC 2管 道 ， 且 最低 设 计 温 度 不 低 于 一 1 01 。 C 。 并 且 ， 管道 处 于“ 低 温低 应力 工 况” 时 ， 管 道材 质 不 需要做低温冲击试验 ， 可以直接使用 。 另外 ， 在 AS ME B 3 1 5 2 0 1 3 制冷管道与传热部 件 材料部分也有类似的规定 ： 在 1 0 1 2 9之 间 的温度 范 围 内服役 的铁 金 属 管 道 ， 如 果 在 压 力 和 热 收缩的同时作用下 ， 或者在支承点之 间弯 曲的影响下 所产生的最大环向或纵 向抗拉应力不超过材料许用应 力

15、的 3 5 ， 则不 要求做 冲击 试验 。 3 2 管 道应 力工 况 依据规范中关于“ 低温低应力工况” 的规定 ， 判定 此放空管道是否处于“ 低温低应力工况” 。首先计算管 道的最大背压 ， 即为管道实际操作压力 。 3 2 1 管道 操作 压 力 根据 S H 3 0 0 9 2 0 1 3 ( 石油化工可燃性气体排放 系统设计规范 附录 A推荐公式l_ 8 ： ! 二 一 ! 鱼 ! ： r 1 、 L 式中 ， P 为管道起点绝对压力 ， k P a ； P 为管道终点绝 对压力 ， k P a ； L为管道 的计 算长度 ， 即直管长度 与管 件 、 阀件当量长度之 和， m；

16、 ) ， 为气体密度 与空 气密度 的比值 ， 2 O时， 空气密度为 1 2 0 5 k g m。 ； T为操作 条件下的气体温度 ， K； Q为折算 为标准条件下 的气体 体积流量， m。 h ； d为管道 内径 ， c m； 为水力 摩擦系 数 。 火炬 装 置 出 口处 的绝 对 压 力 为 1 0 1 3 k P a ， 从 火 炬装置出 口处开始， 将下游管段的入 口压力作为上游 管段的出 口压力 ， 代入式 ( 1 ) ， 从下游向上游逐管段进 行 计算 。一 直进 行到 泄放 装 置 处 ( 放 空 阀) 为止 ， 阀 后 压 力 即为放 空 阀背压 。 表 4 各节点计算压

17、力 Ta bl e 4 Calcu l a t e d p r es s ur e o f e ac h p oi n t 节点 A B C D E 计算压力 P ( 表 ) MP a 0 1 1 0 0 2 4 3 0 2 4 6 0 5 9 9 0 2 8 3 表 4为管道各 节点实际操作压力 ， 可知 C D、 B E 和 AC管段最大操作压力分 别为 0 5 9 9 MP a 、 0 2 8 3 MP a和 0 2 4 6 MP a 。下面计算各管段 的最大允许 工 作压力 ， 并与实际工作压力对 比， 分析是否符合“ 低温 低 应力 工况 ” 的第 一条 判定标 准 。 3 2 2

18、管道最大允许工作压力 气液分离器和低温分离器放空管线 以及放空主管 的公称直径分别 为 D N1 5 0 、 D N2 0 0 、 DN8 0 0 ， 根据 G B 5 0 3 1 6 2 0 0 0 ( 2 0 0 8版) 管道厚度计算公式 ： 一 ( 2) t = 0 8 75 t 一 C1 ( 3) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m刘伟 等 天然气放空管道选材分 析 式中 ， 为管道常温下最大允许工作压力 ， MP a ； t 为 管 道有 效壁 厚 ， mm ； S为设计 温 度下 材料 的许 用应 力 ， MP a ； 为 管道 焊缝 系 数 ， 无 缝

19、 钢 管 取 1 ； D。 为 管 道 外 径 ， I n 1 1 ； Y为计算系 数； t 。为管道公称 壁厚 ， mm； C1 为腐蚀余量 ， mm。 据 上述 公式 ， 计 算 得 到放 空 管道 常温 下 最 大 允 许 使用压力 ， 结果见表 5 。 表 5常温下管道 允许 使用压力 Tabl e 5 Al l o wabl e wo r ki n g p r es s ur e o f v en t pi p el i n e a t n or mal t em p er a t u r e 低 温下 最 大工 作压 力为 3 2 1 节 计算 所 得各 放 空 管道的实际操作压力

20、。由表 5可知 ， 放 空管道在低温 下的最大工作压力均小于管道在常温下最大允许工作 压 力 的 3 O ， 满足 “ 低 温低 应 力工 况 ” 的第 一条 判 定 标 准。下面进行管道轴向拉应力 的计算 ， 分析是否符合 “ 低温低应力工况” 的第二条判定标准。 3 2 3 管道 内压产 生 的轴 向拉 应 力 根 据 压力 管 道应 力分 析 1 (J ， 管道 内压 产 生 的 轴 向拉 应力 为 ： 一 Da y - Do - k-Di ( 5 ) 式 中， P为管道 内压 ， MP a ； t 为管道有效壁厚 ， mm； o - 一 为轴 向拉应力 ， MP a ； D 为管道平均

21、直 径， mm； D 为 管道 内径 ， mm； D。 为管 道外 径 ， mm。 放 空 管 道 内压 产 生 的 轴 向 拉 应 力 计 算 结 果 见 表 6 。 表 6管道 内压产生 的轴 向拉 应力 Tabl e 6 Axi a l t e ns i l e s t r e s s es pr od u c ed b y i n t e r ne pr e s s u r e o f pi p el in e 3 2 4 管道 重量产 生 的轴 向拉 应 力 根据 压 力管 道应 力分 析 l 1 ， 管 道 内压 产 生 的 轴 向拉 应力 为 ： o i 一 ( 6) 一 O O

22、 L一 ( 7) 一 亍 ， 式中， q为每米管道总体所受重力 ， N m； 为轴 向拉 应力 ， MP a ； L为管道跨距 ， m； W 为管 道抗弯截 面模 量 ， mm。 ； D 为管道 内径 ， mm； D。 为 管道外 径 ， mm。 管道跨度取 6 m， 管道 自重和充水重量产生 的轴 向拉应力计算结果见表 7 。 表 7 管道质量产 生的轴 向拉应力 Ta bl e 7 Axi al t en s i l e s t r es s e s c au s e d b y pi p e ma s s 3 2 5 管道 总轴 向拉 应 力 管道总的轴 向拉应力为管道内压产生和重量产生

23、 的轴 向拉 应力 之 和 ， 见 表 8 。 表 8管道轴 向拉应 力 Ta bl e 8 Ax i al t en s i l e s t r es s e s o f ea c h pi p el i n e GB T 2 0 8 0 1 2 2 0 0 6 压 力 管 道 规 范 工 业 管 道 规定 2 0 钢最小抗拉强度值为 4 1 0 MP a ， 放空过程 中管 道轴 向拉 应力 总 和小 于 4 1 MP a ( 材料 最 小抗 拉 强 度 的 1 O ) ， 满 足 “ 低 温 低 应 力 工 况 ” 的第 二 条 判 定 标 准 。 3 3 管 道等 级划 分 此放空管

24、道最 大工 作 压力 为 0 5 9 9 MP a ， 根 据 TS G D 0 0 0 1 2 0 0 9 ( ( 压力管道安全技术监察规程一 工业 管道 中关于工业管道的等级划分可知 ” ， 此管道属 于 GC 2管道 ， 且其最低设计 温度不低于 一1 0 1， 满 足 “ 低 温低 应力 工况 ” 的第 三条判 定标 准 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 4 4卷第 2期 石 油与 天 然 气化 工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG OF OI L & GAS 1 1 7 由以上分析可知 ， 此放空管道属于“ 低温低应力工 况” ， 通

25、过合理的配管 ， 放空主管和支管均可采用使用 温度下 限为一2 0的 2 O 钢等碳钢 。 4 结 语 高压 天然 气放 空 管 道 温 度 很 低 ， 以往 大 多 数 放 空 管 道采 用 高合 金不 锈 钢作 为管 道材 质 。而处 于 低温 条 件 下 的放 空管 道 ， 不 能 简单 地 按 照低 温 工 况 进 行 选 材 处理 ， 还应进行应力计算 ， 分析是否符合“ 低温低应力 工况” ， 从而判断是否可采用碳钢 ， 为选材提供依据 ， 在 满足安全的前提下大大提高 了工程建设的经济性 。 参 考 文 献 1 中国寰球化学工程公 司GB 5 0 3 1 6 2 0 0 0 (

26、2 0 0 8版)工业 金属管道 设计规范 s 北 京 ：中国计划 出版社 ，2 0 0 8 E 2 赵建锋“ 低温低 应力 工况” 的分析与应用 _ J 科技 与生 活 ， 2 0 1 2 ， 1 2( 2)：1 4 7 3 黄格达严寒 地区油库压力 管道 选材研 究 J 管道技 术与设 备 ， 2 O1 2，2( 3 )：5 3 - 5 5 r 4 赵立丹天然气长输 管道战场放空系统计算 J _ 规划设计 ，2 O 1 1 ， 8( 2) ：5 1 - 5 2 5 张青 勇从川气东送管道工程投 产探讨 天然气长输 管道投 产工艺 刀石油与天然气化工 ， 2 0 1 1 ，4 0 ( 1 )

27、 ：9 0 9 4 6 熊钢 ， 吴文莉 ，计维 安 ，等浅析 酸性 天然气 集输 管道 失效 特性 刀石油 与天然气化工 ，2 0 1 2 ，4 1 ( 1 ) ：9 9 一 1 0 1 7 全 国锅 炉压 力 容器 标 准 化技 术 委员 会 压 力管 道 分 技 术 委员 会 ( S AC TC 2 6 2 S C 3 ) GB T 2 0 8 0 1 2 2 0 0 6压力管道规范 工业管 道 第 2部分 ： 材料 s 北京：中国标准出版社 ， 2 0 0 7 0 6 0 1 E s Th e Ame r i c a n S o c i e t y o f Me c h a n i c

28、 a l E n g i n e e r s B 3 1 5 2 0 1 3 Re f r ig e r a t i o n P i p i n g a n d He a t Tr a n s f e r S US A：T h e Ame r i c a n S o c i e t y o f M e c ha n i c a l En g i ne e r s Pr e s s ，2 0 1 3 9 3中华人 民共和国工业和信息 化部S H 3 0 0 9 2 0 1 3石油化工可 燃 性气体排放系统设计规 范E s 北京 ：中国石化 出版社 ，2 0 1 4 0 3 01 1 o 唐永进压

29、力管道应力分析 M 2版北京 ：中国石化 出版社 ， 2 0 0 9 1 1 国家质检总局特种设备安全监察局TS G DO O O l 一2 0 0 9压力管道 安全技术监察规程一 工业 管道 s 北京 ：新华 出版社 ， 2 0 0 9 收稿 日 期： 2 0 1 4 0 8 1 2 ； 编辑 ： 钟 国利 ( 上接 第 1 1 2页) 4 结 论 ( 1 )井场的噪声源分 散分布 ， 均值大都在 9 0 d B 以上 ， 连续 、 稳态并辐射影 响周 围。钻台、 机房等作为 井场内工作点 ， 噪声值变化范 围在 7 3 2 1 0 9 4 d B， 平均值超过接触限值 8 5 d B， 且

30、变化 幅度大 ， 其 中机房 的噪声 值 最大 ， 可 达 到 1 0 9 4 d B， 钻 井 泵 房 的 最 大 噪 声 值 9 7 3 d B， 钻 台噪 声最 大值 9 3 4 d B 。 ( 2 )柴油 机 噪声 属于 低频 噪声 ， 在 6 3 5 0 0 Hz 处 有一峰值 ， 随频率升高而减小。具有波长较长， 方向性 弱 ， 衰减时间长的特点 。3 2 0 0 m 井深钻机钻 台处 噪 声最大 ， 超过 9 0 d B， 随井深继续增加有 噪声值下降趋 势 ， 并 会 趋 于 稳定 。与 其 他 类 钻 机 ( 主 要 指 4 0 0 0 m) 相 比较 ， 3 2 0 0 m

31、钻机能产生更高的噪声值 。 ( 3 )合理布置井场 内设备 ， 使用网电技术 ， 对柴油 机等设备设置隔声间或隔声罩 ， 并在场界设 置吸隔声 墙 ， 这些措施可有效减少井场内噪声 ， 减轻噪声污染 。 参 考 文 献 1 陈立荣，杨继 武钻井生 产 岗位 的声 环境试验 J 天然气 工业 ， 1 9 9 3，1 3 ( 3 )：9 5 - 9 6 2 潘 琦 ， 刘贞周钻井 噪声对环 境影响 的初 步探索 J 石油 与天然 气化工 ，1 9 9 0 ，I 9 ( 1 ) ：5 3 5 7 3 王太平 ，羽保林 ，赵胜英钻井 噪音对环境 的影响 J 天然 气工 业 ，2 0 0 3，2 3 (

32、 1 )：6 3 6 6 E 4 李西安井场 噪声 的危 害 与防治 E 1 油 气 田环 境保 护 ，1 9 9 3 ，3 ( 3 )：2 9 3 1 5 王太平 ， 牛伏军石 油钻井 噪音对环境 的影响及治理措施初探_ J 石 油与天然气化工 ，2 0 0 2 ， 3 1 ( 3 ) ：1 6 8 1 7 0 6 赵永亮网 电钻井 技术 研究 与 应用 J 石 油石 化节 能 与减 排 ， 2 01 2，2 ( 5 )：1 6 - 2 0 7 种法 国油气 田钻井 地面动力设 备噪声污染 控制研究 J 石 油工 程建设 ，2 0 1 0， 3 6 ( 3 ) ：1 4 2 1 4 5 收稿 日 期： 2 0 1 4 0 7 2 5 ； 编辑 ： 钟国利 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m