抱箍式低温支架在天然气放空管线中的应用

抱箍式低温支架在天然气放空管线中的应用摘要:结合天然气站场内放空管线的脱落现象,分析其成因,并介绍了采用抱箍式低温支架的设计过程及实际运行效果。

关键词:天然气放空管线脱落抱箍式低温支架LNG接收站高压加压单元的主要设施是高压泵,而站场外输天然气的动力来源主要来自高压泵的加压,目前普遍采取的是给LNG加压后直接气化外输。

在其工艺流程中,放空管线起着均衡压力的作用。

按其工艺设计原理,管道中应为气相天然气。

但实际运行过程中,往往其间是气液两相的混合体。

尤其在高压泵启停期间,随着LNG外输负荷变化引起的流量波动,流体经过弯头、异径、控制阀等部件,压降不同,转变成系统振动的激励源,如果激发频率和管道结构固有频率相近就会产生共振,会对管道造成不利影响。

因此,采取必要的措施固定放空管线是消除振动的有效途径。

在某天然气站场内,新增了2台高压泵。

而其中的新增高压泵区的DN200天然气放空管线上的3个低温支架,连同管道一道从钢结构支座上滑落。

(见图1)设计单位和低温支架制造单位派员来现场调研,并召开讨论会,分析原因。

经检查现场,核对设计资料,发现设计有错误。

设计院在设计这一段管道时,应力分析报告中12530设定为限位支架,轴向力36 KN,但在施工用图中,错误地表示为普通承重架,没有限位功能。

按照原工艺设计,天然气放空管线内应为低流速气相,但操作中发现时有LNG 流入,LNG在管内形成水锤冲击,造成了管线离位滑脱。

(见图2) 其中对管系附加的位移DX及DY达到29 mm,产生很大的位移应力。

根据应力分析计算,设计单位在会上提出了两种方案:(1)把此管线放空:管线放空后,管线的复位更容易,且更安全,此时焊接已成为可能,应把12530处的承重架恢复为限位架。

但管线放空需要把2台新高压泵中的一台也同时放空,工作量很大。

(2)DN200管线不放空:在这种情况下应把12570处的承重架改为导向架,此时增加水平推力650 kg,钢结构应加强。

设计单位指出不论哪一种方法,脱离原位的管线高度应复位,低温支架应坐落在支座上。

现场按方案2完成了整改,天然气放空管线恢复了原位。

但运行两个月之后,天然气放空管线再次从钢结构支座上滑落。

事实证明,方案2为避免操作中偶然出现的水锤冲击,而导致钢结构柔性过大,引起的支架移动位移过大。

因此,只有实施方案1,即12530处的低温支架一定要有轴向限位功能。

同时,又要考虑到管道壁厚仅为3.76 mm, 不能因应力过大导致管道失效,要通过钢结构和管道的协调变形限制管道的过度位移。

现在管道已投入使用,要焊接就要排空管道,与之相连的高压泵也不得不排空,然后冷却恢复。

全部过程工作量大,且LNG及氮气消耗多,需要的限位架还要专门订货加工,等一切具备,已是工厂运行的高峰期,很难找到合适的工作窗口来实施这一施工活动。

因此，只能在不排空天然气放空管线的条件下,使12530处具有限位功能,天然气放空管线能稳定在钢结构支座上。

止推环式限位低温支架是靠焊缝来抵抗轴向外力。

如果不使用焊接,基本上就只靠摩擦力来解决问题。

中国国内有数家生产低温支架的企业,经联系,他们都没有设计生产过摩擦型限位低温支架。

在这种情况下,只有开发新型低温支架,这就要解决新型低温支架的设计与计算问题。

包括以下四点:(1)完成必要的计算,保证新支架的限位能力。

应力分析报告中12530点的轴向力是36KN,新型低温支架必需具备足够的摩擦力来克服这一轴向力。

(2)合理的结构设计,保证新支架的功能发挥。

抱箍式限位低温支架是箍在管道外面起作用的,但管道的截面不可能是绝对的圆。

支架内表面与管道外表面贴不紧就不能产生足够的摩擦力,所以箍身必需要有一定的柔性。

然而在安装螺栓的连接板部位又要有足够的钢性来传递夹紧力,从而产生足够的摩擦力。

(3)新型支架必需具有温度补偿功能。

天然气放空管线的设计温度是从常温至－135 ℃。

当管道内介质变化时,管道的工作温度也在变化,新型低温支架一定要具有足够的温度补偿能力,保持基本恒定的摩擦力而不至于在温度波动时失效。

(4)要从管道与钢结构之间的协调变形出发,重新考虑天然气放空管线的低温支架的布置,使管线与支架都处于合理的状态,避免天然气放空管线的过度位移。

设计方案说明如下所述。

1 结构设计和支架布置1．1 支架结构设计为了保证新型支架发挥限位的功能,支架的内表面必需与管道外表面尽量贴紧,以利于产生摩擦力,然而管道制造的椭圆度不可能完全满足要求。

为了解决这一矛盾,新型支架应采用没有加强筋板的柔性箍身。

但在布置夹紧螺栓的连接板处则又设置加强筋板,使之有足够的强度和刚度来传递夹紧力。

初步选定夹紧螺栓为4套。

为了使夹紧力恒定,应布置蝶形弹簧补偿夹紧力受温度影响产生的变化。

为了使蝶形弹簧稳定,还应设置导向用的内导柱。

1.2 协调变形和限位支架的布置LNG管道从常温降到－160 ℃,每米管道大约收缩3 mm。

通常两低温支架之间的间距是6 m。

按上述收缩律,6 m的管道就要收缩18mm。

所以在低温管道上布置低温支架时,一般不会把两个限位架布置在相邻的位置。

因为热胀冷缩产生的应力要么使管道受损,要么使低温支架被破坏。

这是公认的基本布置规律。

自天然气放空管线从钢结构支座上滑落后,通过观察天然气放空管线的运动情况。

可以看出,支撑天然气放空管线的钢结构在滑落支架所在的3根立柱截面尺寸比较小,刚度较差。

每当天然气放空管线内的流体流动不稳定时,支撑限位支架的这一部分钢结构总是大幅晃动。

天然气放空管线从支座上滑落,运动幅度要超过半个支座的宽度加半个低温支架的宽度,总量要超过250 mm。

热胀冷缩的位移与晃动位移相比只是很小的一部份,这就有可能利用管道与钢结构的协调变形来布置两个抱箍式低温支架在相邻的位置,但必须是一个是主支架,另一个是副支架。

主支架的限位块的间隙按规定设置,不超过3 mm。

副支架的限位块的间隙应超过6 m管道的收缩量,定为25～30 mm。

这种布置在管道只有热胀冷缩时,副支架没有限位的功能,不会与主支架产生干涉。

如果管道受管内流体的影响,产生大幅晃动,副支架将通过钢结构的协调变形与主支架一道发挥限位功能,受力更合理,也就更可靠更安全。

2 温度补偿和蝶型弹簧的计算和选用碟形弹簧的设计可以用来抵消热膨胀或与螺栓连接件相关的机械振动。

典型用途包括:阀门,管道连接,泵连接,压力接合。

在本案例中就是用来进行温度补偿。

碟形弹簧特别适用于空间狭小、负载很大的场合。

通过按不同的序列进行组合,每种尺寸都能承受多种载荷或不同的挠度。

串联的效果是挠度与承载力都叠加。

并联的效果是挠度不变,承载力叠加。

蝶形弹簧的载荷通常在平位载荷的75％以下使用,在超低温的环境下应更保守。

现预定本案例的载荷为平位载荷的20％,即7251×20%=1450 N。

预定用4个垫圈并联叠加使用,产生的补偿弹力为1450×4＝5800 N。

此值超过了平位载荷的75％,即用4个叠加的碟形弹簧来承受一个碟形弹簧的载荷。

合理。

3 设计计算3.1 夹紧力的计算抱箍与管道之间的静摩擦力等预正压力与静摩擦系数的乘积:F ＝P×f。

式中：F为抱箍与墩柱间的最大静摩擦力;即应力分系报告中12530处的轴向力36 KN。

P为抱箍与墩柱间的正压力;即抱箍螺栓产生的夹紧力,应按4个螺栓均分。

f为抱箍与墩柱间的静摩擦系数。

钢与钢之间一般取0.15。

36000＝4×P×0.15。

每个螺栓夹紧力P＝60000 N3.2 螺栓紧定扭矩的计算螺栓紧定扭矩的计算公式:Mt＝K×P0×d×10－3 N.m。

K为拧紧力系数。

d为螺纹公称直径mm。

P0为预紧力N。

在超低温的情况下可取K＝0.10。

暂定螺栓直径为24 mm。

预紧力PO＝P夹紧力＋补偿弹力＝60000＋5800＝65800。

此时Mt＝0.10×65800×24×10－3＝157.92 N.m。

4 委托加工经联系,支架制造厂商承担这种了单件特殊产品的制作,厂商基本上肯定了原设计方案,但对螺栓和蝶形弹簧垫圈的尺寸及材料进行了调整和圆整。

首先是蝶形弹簧垫圈的材料作了调整,碟形弹簧在常温下多使用弹簧钢,由于用在抱箍处要包在保冷材料内部,是在超低温环境下工作,改为奥氏体不锈钢A2-70。

由于材料的改变,螺栓直径也圆整到11/8”。

蝶形弹簧垫圈的内外径圆整到41/80 mm。

自抱箍式限位低温支架投用后,天然气放空管线的情况稳定,再也没有发生从钢结构支座上滑落的现象。

此新型支架在天然气放空管线上得到了成功应用。

综上所述,如果天然气放空管线不能实行在线整改,就必须排空新增高压泵和天然气放空管线并重新冷却,这一过程中LNG、氮气、人力及相关辅材消耗都很大。

抱箍式限位低温支架的开发利用,使天然气放空管线实施了在线整改,相应的劳动强度和作业风险也得到了降低。

抱箍式限位低温支架是各支架制造商没有生产过的品种,它的开发利用增加了一个新的支架品种。

在天然气放空管线的整改过程中,根据钢结构协调变形的理论,在相临的位置上布置主限位支架和副限位支架,在实践中取得了良好的效果。

这是一种成功的尝试,也将为今后处理超低温管线和相应的支架问题提供一定的借鉴。

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