楊文川 諶貴宇 鮮 寧 申 琳

中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

輸氣站場(chǎng)在正常輸送、調(diào)壓、放空、排污、投產(chǎn)充壓等工況下,可能因焦耳-湯姆遜效應(yīng)而產(chǎn)生較低的介質(zhì)溫度,導(dǎo)致承壓管道和設(shè)備金屬壁經(jīng)受低溫工況;此外,寒冷地區(qū)的大氣低溫環(huán)境也會(huì)使地面管道和設(shè)備金屬壁遭受低溫工況。無(wú)論是介質(zhì)低溫,還是大氣環(huán)境低溫,都是影響輸氣站場(chǎng)最低設(shè)計(jì)溫度確定和合理選材的關(guān)鍵因素[1-2]。

在設(shè)計(jì)階段,如果沒(méi)有對(duì)低溫工況及其可能引發(fā)的后果進(jìn)行詳細(xì)分析,則可能導(dǎo)致選材不合理并影響運(yùn)行的可操作范圍及安全性。如果選材不滿足實(shí)際的低溫工況要求,則會(huì)埋下安全隱患,造成承壓管道和設(shè)備的脆性開(kāi)裂,甚至發(fā)生重大事故;如果選材高于實(shí)際需求,則會(huì)增加項(xiàng)目投資和采購(gòu)難度。因此,合理確定最低設(shè)計(jì)溫度和選材是項(xiàng)目安全運(yùn)行和優(yōu)化投資的重要保障之一。

1 最低設(shè)計(jì)溫度的定義

設(shè)計(jì)溫度是用于強(qiáng)度設(shè)計(jì)需要擬定的溫度,有最高設(shè)計(jì)溫度和最低設(shè)計(jì)溫度之分[3-6]。最低設(shè)計(jì)溫度或最低金屬壁溫是確定材料低溫性能的重要指標(biāo),以金屬溫度為對(duì)象來(lái)定義。

綜合各標(biāo)準(zhǔn)的定義,最低設(shè)計(jì)溫度一般是根據(jù)管道和設(shè)備在操作過(guò)程中預(yù)期的各種可能工況下可能出現(xiàn)的最低金屬溫度確定。輸氣站場(chǎng)最低設(shè)計(jì)溫度需考慮正常操作、工藝擾動(dòng)、投產(chǎn)、停輸、放空、放空后的再充壓、試壓、最低環(huán)境溫度,以及伴熱等措施的影響[3-13]。我國(guó)南方地區(qū)的輸氣站場(chǎng)以介質(zhì)低溫為主,北方地區(qū)輸氣站場(chǎng)則兼有介質(zhì)低溫和環(huán)境低溫。如果最低環(huán)境溫度是決定性因素,則最低金屬溫度可取最低環(huán)境溫度。

關(guān)于最低環(huán)境溫度的取值,根據(jù)GB 150-2011《壓力容器》(以下簡(jiǎn)稱GB 150)、TSG D 0001-2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程——工業(yè)管道》、TSG 21-2016 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,按照該地區(qū)氣象資料,取歷年來(lái)月平均最低氣溫的最低值(月平均最低氣溫是指當(dāng)月各天的最低氣溫值相加后除以當(dāng)月的天數(shù)),具體數(shù)值可查閱GB 50009-2012 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)[6-8,14]。

一般來(lái)說(shuō),最低設(shè)計(jì)溫度應(yīng)不高于操作條件下可能的最低金屬溫度。在低溫工況條件下,當(dāng)具有較大成本優(yōu)勢(shì)或?yàn)榱私档瓦x材難度時(shí),在采取足夠的保護(hù)措施(如伴熱保溫等)后,可提高最低設(shè)計(jì)溫度。必要時(shí)可結(jié)合低溫低應(yīng)力工況或材料免除沖擊試驗(yàn)的條件降低材料的最低使用溫度。

2 輸氣站場(chǎng)低溫工況分析

2.1 分析步驟

低溫工況分析的根本目的在于指導(dǎo)選材和運(yùn)行操作。主要分析步驟包括:

1)識(shí)別可能產(chǎn)生低溫的工況和部位;

2)計(jì)算流體在各種工況下可能產(chǎn)生的最低溫度,必要時(shí)通過(guò)詳細(xì)傳熱計(jì)算確定管道和設(shè)備金屬壁溫;

3)根據(jù)最低介質(zhì)溫度或管道和設(shè)備最低金屬壁溫確定最低設(shè)計(jì)溫度;

4)根據(jù)最低設(shè)計(jì)溫度選定材料,并提出低溫韌性試驗(yàn)要求以確保選材的安全性。

2.2 典型工況分析

輸氣站場(chǎng)承壓管道和設(shè)備可能經(jīng)受低溫的典型工況主要包括投產(chǎn)充壓、正常運(yùn)行、停輸、緊急放空、檢維修與改造前的手動(dòng)放空、安全閥排放、排污等。

2.2.1 投產(chǎn)充壓

包括首次投產(chǎn)充壓和站場(chǎng)整體或局部放空后的再投運(yùn)充壓。其中,新建管道系統(tǒng)的站場(chǎng)首次投產(chǎn)充壓時(shí),氣源來(lái)自線路管道,壓力一般較低,氣體通過(guò)節(jié)流閥節(jié)流后產(chǎn)生低溫的可能性較小。在役管道系統(tǒng)的站場(chǎng)整體或局部放空后的再投運(yùn)充壓,氣源壓力可能較高,氣體通過(guò)節(jié)流閥節(jié)流后產(chǎn)生的溫度較低。因此,一般應(yīng)分析站場(chǎng)整體或局部放空后再投運(yùn)充壓時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生低溫工況。

2.2.2 正常運(yùn)行

需考慮以下工況的最低溫度:氣體正常流動(dòng)時(shí)管道和設(shè)備內(nèi)部流體介質(zhì)的最低運(yùn)行溫度;調(diào)壓閥/節(jié)流裝置的節(jié)流后流體介質(zhì)的最低運(yùn)行溫度;無(wú)伴熱的死氣段管道和設(shè)備的最低金屬壁溫,該溫度按最低環(huán)境溫度取值[7-8]。

2.2.3 停輸

因站場(chǎng)緊急停車或?qū)植吭O(shè)備進(jìn)行檢維修操作時(shí),需對(duì)流進(jìn)和流出站場(chǎng)或局部設(shè)施的流體介質(zhì)進(jìn)行截?cái)?并關(guān)閉站內(nèi)相應(yīng)區(qū)域的動(dòng)力設(shè)備和熱源系統(tǒng),停輸后管道和設(shè)備內(nèi)部流體介質(zhì)和金屬壁的溫度會(huì)隨著時(shí)間的延續(xù)逐漸接近大氣環(huán)境溫度。同時(shí)由于定容效應(yīng),管道和設(shè)備內(nèi)部氣體壓力會(huì)隨溫度的變化而變化。對(duì)于無(wú)伴熱管道，其最低金屬壁溫按最低環(huán)境溫度選取。

2.2.4 緊急放空

非火災(zāi)工況下觸發(fā)的緊急放空,可能導(dǎo)致限流孔板上游和下游系統(tǒng)經(jīng)受非常低的工作溫度,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以注意,且放空初始狀態(tài)參數(shù)可能是正常運(yùn)行時(shí)的參數(shù),也可能是站場(chǎng)或局部設(shè)施截?cái)嗪罄鋮s一定時(shí)間后的參數(shù)[15-16]。因此,考慮站內(nèi)可能的最惡劣放空工況,應(yīng)分析站場(chǎng)或局部設(shè)施截?cái)嗪罄鋮s至環(huán)境溫度后進(jìn)行緊急放空時(shí)的低溫工況。

2.2.5 檢維修與改造前的手動(dòng)放空

站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行檢維修和改造前需進(jìn)行上、下游截?cái)?然后進(jìn)行手動(dòng)放空。在進(jìn)行手動(dòng)放空時(shí),一般緩慢打開(kāi)放空閥,根據(jù)放空管路的噪音和振動(dòng)情況控制放空閥門開(kāi)度,逐漸增大閥門的開(kāi)度直至全開(kāi)。由于放空閥的開(kāi)度由操作人員手動(dòng)控制,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以最惡劣的工況考慮。

2.2.6 安全閥排放

安全閥排放時(shí),氣體由排放壓力和溫度節(jié)流至下游背壓條件。由于傳熱的動(dòng)態(tài)特性,安全閥下游管道的溫度變化會(huì)略滯后于氣體溫度的變化,但是安全閥下游氣體流速一般都較高,氣體與管壁的傳熱系數(shù)較大,在較短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)非常接近于氣體溫度。因此,可用節(jié)流后的氣體溫度近似作為管道壁溫。

2.2.7 排污

當(dāng)設(shè)備采用離線排污方案時(shí),即先將設(shè)備的上、下游截?cái)?然后放空至一定壓力后再排污,天然氣可能通過(guò)排污閥節(jié)流后竄入排污系統(tǒng)。此過(guò)程中排污閥上、下游可能產(chǎn)生的溫度與檢維修和改造前的手動(dòng)放空所產(chǎn)生的溫度基本相同。

3 低溫低應(yīng)力工況與材料免除低溫沖擊試驗(yàn)條件

低溫低應(yīng)力工況和材料免除低溫沖擊試驗(yàn)條件的本質(zhì)是降低材料的操作應(yīng)力以避免材料在低溫環(huán)境下起裂。各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低溫低應(yīng)力工況的規(guī)定見(jiàn)表1,對(duì)材料免除低溫沖擊試驗(yàn)條件的規(guī)定見(jiàn)表2。

GB 50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱GB 50251)第5.2.8條規(guī)定了放空管線、管件和放空立管的材料宜按低溫低應(yīng)力工況校核,且條文說(shuō)明中有低溫低應(yīng)力工況的詳細(xì)定義[3]。按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對(duì)于X 70以上鋼級(jí)的材料，由于其最小抗拉強(qiáng)度大于540 MPa,而不能采用低溫低應(yīng)力工況。GB 50251的規(guī)定與GB 150和GB 50316-2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》(2008年版,以下簡(jiǎn)稱GB 50316)的規(guī)定是基本一致的[3,5-6]。

需要注意的是對(duì)于我國(guó)國(guó)標(biāo)材料,采用低溫低應(yīng)力工況時(shí)依然要求在-20 ℃下做低溫沖擊試驗(yàn)。

ASME B 31.3-2016 Process Piping(以下簡(jiǎn)稱ASME B 31.3)與ASME BPVC VIII-1-2017 Rules for Construction of Pressure Vessels(以下簡(jiǎn)稱ASME BPVC VIII-1)中的相關(guān)規(guī)定有所不同,它們根據(jù)大量材料的試驗(yàn)結(jié)果,提供了材料免除低溫沖擊試驗(yàn)允許的溫度降低值曲線[10-11]。

表1各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低溫低應(yīng)力工況的規(guī)定

標(biāo)準(zhǔn)操作溫度T/℃操作應(yīng)力或壓力要求附加條件GB50251-70≤T<-20環(huán)向應(yīng)力不大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最小屈服強(qiáng)度的1/6適用于最小抗拉強(qiáng)度不大于540MPa的材料GB50316-70≤T<-20環(huán)向應(yīng)力不大于鋼材標(biāo)準(zhǔn)中屈服點(diǎn)的1/6，且不大于50MPa不適用于抗拉強(qiáng)度下限值大于540MPa的鋼材及螺栓材料GB/T208012-2006《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道第2部分：材料》(以下簡(jiǎn)稱GB/T208012)-101≤T<材料最低使用溫度低溫下的最大工作壓力不大于常溫下最大允許工作壓力的30%；管道由壓力、重量及位移產(chǎn)生的軸向(拉)應(yīng)力總和不大于材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最小抗拉強(qiáng)度值的10%(計(jì)算位移應(yīng)力時(shí)，不計(jì)入應(yīng)力增大系數(shù))僅限于GC2級(jí)管道GB150-70(對(duì)不要求焊后熱處理的容器為-60)≤T<-20容器元件實(shí)際承受的最大一次總體薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力不大于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服強(qiáng)度的1/6，且不大于50MPa不適用于Q235系列鋼板；不適用于鋼材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值大于等于540MPa的材料；不適用于螺栓材料CSAZ662-15OilandGasPipelineSystems未明確管道設(shè)計(jì)操作應(yīng)力不大于50MPa-

表2各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料免除低溫沖擊試驗(yàn)條件的規(guī)定

標(biāo)準(zhǔn)操作溫度T/℃操作應(yīng)力或壓力要求附加條件ASMEB313當(dāng)應(yīng)力系數(shù)大于03且小于1時(shí)：T為標(biāo)準(zhǔn)中圖32322A或附錄A確定的最低溫度值減去由圖32322B確定的溫度降低值，但不低于-48；當(dāng)應(yīng)力系數(shù)不大于03時(shí)：T大于等于-104且小于圖32322A或附錄A確定的最低溫度值標(biāo)準(zhǔn)中圖32322B定義的應(yīng)力系數(shù)小于1不適用于M類流體；管道應(yīng)經(jīng)過(guò)不低于15倍設(shè)計(jì)壓力的水壓試驗(yàn)；壁厚大于等于13mm時(shí)，管道系統(tǒng)應(yīng)對(duì)外加載荷，諸如維護(hù)載荷、沖擊載荷和熱沖擊載荷加以安全防護(hù)(標(biāo)準(zhǔn)中附錄G)ASMEBPVCVIII?1當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)中圖UCS-661定義的比值大于035且小于1時(shí)：T為圖UCS-66確定的最低溫度值減去由圖UCS-661確定的溫度降低值，但不低于-48；當(dāng)圖UCS-661定義的比值小于等于035時(shí)：T大于等于-105且小于圖UCS-66確定的最低溫度值標(biāo)準(zhǔn)中圖UCS-661定義的比值小于1-

緊急放空和檢維修與改造前的手動(dòng)放空過(guò)程中,介質(zhì)溫度下降的同時(shí)伴隨著操作壓力的下降,對(duì)鋼材低溫韌性的要求也會(huì)下降,因此,如果符合低溫低應(yīng)力工況或材料免除沖擊試驗(yàn)的條件,則可降低材料的最低使用溫度,在確保選材安全的前提下,可避免使用低溫材料,進(jìn)而有效降低成本。

4 最低設(shè)計(jì)溫度的取值

由于金屬壁溫不便于準(zhǔn)確預(yù)計(jì),通常依據(jù)介質(zhì)的最低操作溫度確定設(shè)備和管道的最低設(shè)計(jì)溫度,且最低設(shè)計(jì)溫度需對(duì)應(yīng)設(shè)備和管道的設(shè)計(jì)壓力,其值取下述各值中的最小值[3-6,8-9,11-13]:

1)介質(zhì)連續(xù)運(yùn)行的最低溫度減去5～10 ℃(根據(jù)項(xiàng)目規(guī)定或考慮材料的臨界點(diǎn)選取);

2)最低環(huán)境溫度(無(wú)伴熱時(shí));

3)緊急放空、檢維修與改造前的手動(dòng)放空、排污、投產(chǎn)充壓等特殊、非連續(xù)運(yùn)行工況下的最低介質(zhì)溫度,且不再考慮余量;或上述工況下計(jì)算所得的最低金屬壁溫,并考慮一定余量(根據(jù)計(jì)算準(zhǔn)確程度確定)。

5 提高最低設(shè)計(jì)溫度的措施

站內(nèi)緊急放空、檢維修與改造前的手動(dòng)放空和投產(chǎn)充壓工況可能導(dǎo)致較低的管道和設(shè)備金屬壁溫,如果直接按照極端工況確定材料的最低設(shè)計(jì)溫度,可能造成選材成本的大幅增加。此時(shí),可考慮采取適當(dāng)措施提高管道和設(shè)備的最低設(shè)計(jì)溫度或使之符合低溫低應(yīng)力工況,進(jìn)而在保證安全的前提下降低選材要求。

1)對(duì)管道和設(shè)備進(jìn)行伴熱保溫,可有效提高管道和設(shè)備的金屬壁溫。

2)提高放空初始溫度或降低放空初始?jí)毫?對(duì)站內(nèi)手動(dòng)放空,在放空前可采取流程倒換的方法提高管道和設(shè)備壁溫,然后進(jìn)行放空作業(yè),以避免放空產(chǎn)生過(guò)低的金屬壁溫;對(duì)于站內(nèi)緊急放空,可采取緊急停車后立即放空的方式,或在停車保壓后檢測(cè)管道或設(shè)備的金屬壁溫,若壁溫低至某一臨界值后應(yīng)立即放空,以避免放空產(chǎn)生過(guò)低的金屬壁溫。

3)降低充壓氣源壓力或提高充壓氣源溫度,以避免充壓過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)低的金屬壁溫。

通過(guò)改變操作方式達(dá)到緩解低溫問(wèn)題的措施實(shí)際上限制了運(yùn)行的可操作范圍,因此若采用上述方法,需出具相關(guān)操作說(shuō)明并獲得業(yè)主認(rèn)可。

如果無(wú)法避免過(guò)低的最低設(shè)計(jì)溫度,則可適當(dāng)增加管道和設(shè)備壁厚,并合理安裝管道和設(shè)備,將其操作應(yīng)力降低至一定水平,使之符合低溫低應(yīng)力工況或免除低溫沖擊試驗(yàn)的條件。

6 管道、管件選材及其低溫韌性要求

輸氣站場(chǎng)內(nèi)管網(wǎng)由管道、管件和閥門組成,閥門可以起到止裂作用,管件也可以在一定程度上起到止裂作用,因此站場(chǎng)內(nèi)工藝管道的斷裂韌性主要基于防止管道起裂考慮。低溫工況下輸氣站場(chǎng)系統(tǒng)中的管道設(shè)備的材料選擇應(yīng)要求材料(包括母材、焊縫及其熱影響區(qū))具有足夠的起裂韌性以避免起裂。為了確保材料在低溫工況下能夠安全可靠地應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外通用的做法是采用夏比沖擊試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)并驗(yàn)證材料具有足夠的起裂韌性。

輸氣站場(chǎng)管道設(shè)備最常用的材料包括普通碳鋼、低溫碳鋼以及奧氏體不銹鋼,由于化學(xué)成分以及制造工藝的不同,其最低使用溫度亦不同。GB/T 20801.2和ASME B 31.3規(guī)定了材料的最低使用溫度和是否需要進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)的最低要求[10,17]。通常,我國(guó)國(guó)標(biāo)普通碳鋼的最低使用溫度為-20 ℃,美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為-29 ℃;我國(guó)國(guó)標(biāo)低溫碳鋼的最低使用溫度為-40 ℃,美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為-45 ℃;奧氏體不銹鋼具有良好的低溫性能,我國(guó)國(guó)標(biāo)材料最低使用溫度為-196 ℃,美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為-198 ℃[5-6,10-11,17-18]。

輸氣站場(chǎng)用管標(biāo)準(zhǔn)一般執(zhí)行GB/T 9711-2011《石油天然氣工業(yè)、管線輸送系統(tǒng)用鋼管》(以下簡(jiǎn)稱GB/T 9711)(碳鋼)和GB/T 14976-2012 《流體輸送用不銹鋼無(wú)縫管》(不銹鋼)[19-20]。對(duì)于執(zhí)行GB/T 9711的鋼管,在工程規(guī)定的試驗(yàn)溫度條件下,夏比沖擊吸收功滿足規(guī)定后才能使用。

不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)夏比沖擊試驗(yàn)的要求存在差異,GB 20801.2和ASME B 31.3中規(guī)定的夏比沖擊吸收功均為最低要求,而一般企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)夏比沖擊試驗(yàn)的沖擊吸收功有更高要求。建議輸氣站場(chǎng)管道和管件材料的夏比沖擊試驗(yàn)采用以下原則:

1)材料及焊縫的試驗(yàn)溫度應(yīng)不高于最低設(shè)計(jì)溫度,且不高于0 ℃;

2)為了便于材料試驗(yàn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)化且便于采購(gòu),試驗(yàn)溫度宜選擇0、-10、-20、-30、-45 ℃或與廠商協(xié)商采用更低的試驗(yàn)溫度;

3)夏比沖擊吸收功建議按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的較大值執(zhí)行。管道標(biāo)準(zhǔn):GB/T 9711、GB 5310-2008 《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》、GB 6479-2013 《高壓化肥設(shè)備用無(wú)縫鋼管》、GB/T 8163-2008 《輸送流體用無(wú)縫鋼管》、Q/SY 1513.5-2013 《油氣輸送管道用管材通用技術(shù)條件 第5部分:站場(chǎng)用鋼管》等;管件標(biāo)準(zhǔn):GB 150、GB/T 29168.2-2012 《石油天然氣工業(yè) 管道輸送系統(tǒng)用感應(yīng)加熱彎管、管件和法蘭 第2部分:管件》、Q/SY 1513.7-2013《油氣輸送管道用管材通用技術(shù)條件 第7部分:管件》等;管道焊接標(biāo)準(zhǔn):GB/T 31032-2014 《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》等。

7 結(jié)論

合理確定最低設(shè)計(jì)溫度和選材是輸氣站場(chǎng)運(yùn)行安全性和建設(shè)經(jīng)濟(jì)性的重要保證。在進(jìn)行輸氣站場(chǎng)最低設(shè)計(jì)溫度的確定和選材時(shí)需關(guān)注以下內(nèi)容:

1)根據(jù)最低設(shè)計(jì)溫度的定義,全面系統(tǒng)地分析和計(jì)算整個(gè)工藝系統(tǒng)可能出現(xiàn)的低溫工況和部位,必要時(shí)采用動(dòng)態(tài)模型并考慮詳細(xì)傳熱以計(jì)算金屬壁溫,并結(jié)合應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行低溫低應(yīng)力工況的核算。

2)根據(jù)管道和設(shè)備的最低設(shè)計(jì)溫度選擇符合要求的材料。材料的低溫韌性試驗(yàn)溫度應(yīng)不高于其最低設(shè)計(jì)溫度,夏比沖擊吸收功應(yīng)滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。

3)若分析后管道和設(shè)備的最低工作溫度較低,則可在工藝、操作、運(yùn)行管理上考慮足夠的安全措施,以提高最低設(shè)計(jì)溫度,或使其符合低溫低應(yīng)力工況或材料免除沖擊試驗(yàn)的條件,以降低材料的最低使用溫度,從而避免使用低溫碳鋼或不銹鋼。

4)原則上不建議通過(guò)改變操作方式達(dá)到緩解低溫的目的,從而降低材料的選擇要求,若采用該方法,需要出具相關(guān)的操作說(shuō)明并獲得業(yè)主認(rèn)可。

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