石油与天然气化工  2015, Vol. 44 Issue (2): 113-117
天然气放空管道选材分析
刘伟 1, 李朋 1, 张哲 2, 马娜 1, 戴兴星 1, 张玉婷 1     
1. 新疆石油勘察设计研究院(有限公司);
2. 新疆油田公司采气一厂
收稿日期：2014-08-12
作者简介：刘伟(1986-)，男，助理工程师，主要从事天然气集输与处理方面的工作。E-mail:upclw@foxmail.com.
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 MPa，正常操作时的轴向拉应力低于材料标准规定的20#钢最小抗拉强度值的10%，管道操作工况处于“低温低应力工况”，管道材质可以使用20#钢。
关键词：放空管道    放空温度    低温    低应力    背压    选材    
Analysis on material selection of natural gas vent pipeline
Liu Wei1 , Li Peng1 , Zhang Zhe2 , Ma Na1 , Dai Xingxing1 , Zhang Yuting1     
1. China Petroleum Engineering (Xinjiang) Co., Ltd, Karamay 834000, China;
2. Xinjiang Oilfield Company No.1 Gas Production Plant, Karamay 831200, China
Abstract: The material selection of high-pressure natural gas vent pipeline was studied. The operating temperature of natural gas vent pipe is low, which exceeds the avowable lower limit temperature of ordinary carbon steel. In this case, low temperature and stress conditions should be considered. By calculating the operation temperature, operation pressure and stress of a natural gas vent pipe, whether it is in the condition of low temperature and low stress is analyzed. The results show that when the vent pipe operating pressure is below 1.0 MPa for normal operation, the axial tensile stress is below 10% of the minimum tensile strength value of steel 20#. Pipeline operation condition is "low temperature and stress condition". Therefore, 20# steel can be used as natural gas vent pipe.
Key Words: vent pipeline    vent temperature    low temperature    low stress    back pressure    material selection    

高压天然气放空管道放空时温度较低，参照GB 50316-2000(2008版)《工业金属管道设计规范》中管材使用温度下限进行设计[1]。目前，大多数放空管线采用304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[2]，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规定了对于“低温低应力工况”[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。以新疆油田呼图壁储气库露点控制单元BDV阀放空为例，分别计算放空管道的温度、压力及应力工况，分析其是否符合“低温低应力工况”，管道材料能否选用20#钢等碳钢材质。

1 放空管道设计参数

图 1为新疆油田呼图壁储气库露点控制单元气液分离器和低温分离器BDV阀放空管网示意图。AB、BC为放空主管段，CD、BE为放空支管段。A点处连接火炬，火炬高度为95 m；D、E分别为气液分离器与低温分离器BDV阀的泄放点，泄放量分别为150×104 m3/d和80×104 m3/d。各管段参数见表 1。

图 1     BDV阀放空管网示意图 Figure 1     Schematic diagram of BDV vent pipe network

表 1    各管段参数 Table 1    Parameters of each pipe section

2 放空管道模拟计算

本研究使用HYSYS中Depressuring-Dynamics模块对BDV阀放空过程进行动态模拟。该模块可用于模拟压力容器的安全阀放空、事故工况放空、绝热工况放空等一系列动态放空的过程[4-6]。通过控制放空量选择合适的放空阀，观察泄放过程中一系列参数的动态变化，如：放空阀前后的温度、压力、流量、瞬时泄放量、泄放时间等。分离器泄放前的操作参数见表 2。

表 2    设备泄放前参数 Table 2    Parameters before pressure-relieving of equipment

首先以气液分离器的BDV阀放空为例，将放空前各参数输入Depressuring-Dynamics模块，动态放空模拟流程见图 2。

图 2     Depressuring-Dynamics动态放空模拟示意图 Figure 2     Schematic diagram of Depressuring-Dynamics simulation

根据API 521：2007《泄压和减压系统指南》，放空时要求在15 min内将设备压力降至690 kPa以下或50%的设备设计压力，取其中较低值，本例按降至690 kPa内计算，选择合适的阀门使气液分离器压力在15 min内降至690 kPa以下。根据模拟结果绘制的气液分离器泄放曲线如图 3所示。

图 3     气液分离器泄放曲线 Figure 3     Depressuring curve of gas-liquid separator

采用类似方法可得到低温分离器的泄放曲线，如图 4所示。

图 4     低温分离器泄放曲线 Figure 4     Depressuring curve of low-temperature separator

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 Table 3    Operating parameters before and after pressure-relieving of equipment

由表 3可知，放空温度最低可达-70.7 ℃，若参照GB 50316-2000(2008版)规定，20#钢最低使用温度为-20 ℃[1]，低合金钢16Mn最低使用温度为-40 ℃，304或316等不锈钢的最低使用温度为-196 ℃，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-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 20801.2-2006《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30%。

(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于材料标准规定的最小抗拉强度值的10%。

(3) 仅限于GC2管道，且最低设计温度不低于-101 ℃。

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ASME B31.5-2013《制冷管道与传热部件》材料部分也有类似的规定[7]：在-101~-29 ℃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的35%，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SH 3009-2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》附录A推荐公式[8]：

$ \frac{{{p_1}^2-{p_2}^2}}{L} = \frac{{0.6\mu \gamma T{Q^2}}}{{{d^5}}} $ (1)

式中，p1为管道起点绝对压力，kPa；p2为管道终点绝对压力，kPa；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；γ为气体密度与空气密度的比值，20 ℃时，空气密度为1.205 kg/m3；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，m3/h；d为管道内径，cm；μ为水力摩擦系数。

火炬装置出口处的绝对压力为101.3 kPa，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为管道各节点实际操作压力，可知CD、BE和AC管段最大操作压力分别为0.599 MPa、0.283 MPa和0.246 MPa。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。

表 4    各节点计算压力 Table 4    Calculated pressure of each point

3.2.2 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DN150、DN200、DN800，根据GB 50316-2000(2008版)管道厚度计算公式[1]：

$ {p_y} = \frac{{2{t_{\rm{e}}}S\mathit{\Phi }}}{{{D_0}-2{t_{\rm{e}}}Y}} $ (2)
$ {t_{\rm{e}}} = 0.875{t_0}-C1 $ (3)

式中，py为管道常温下最大允许工作压力，MPa；te为管道有效壁厚，mm；S为设计温度下材料的许用应力，MPa；Φ为管道焊缝系数，无缝钢管取1；Do为管道外径，mm；Y为计算系数；to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 Table 5    Allowable working pressure of vent pipeline at normal temperature

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。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30%，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》[10]，管道内压产生的轴向拉应力为：

$ {\sigma _{\rm{L}}} = \frac{{p{D_{{\rm{av}}}}}}{{4{t_{\rm{e}}}}} $ (4)
$ {D_{{\rm{av}}}} = \frac{{{D_0} + {D_{\rm{i}}}}}{2} $ (5)

式中，p为管道内压，MPa；te为管道有效壁厚，mm；σL为轴向拉应力，MPa；Dav为管道平均直径，mm；Di为管道内径，mm；Do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 Table 6    Axial tensile stresses produced by internal pressure of pipeline

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》[10]，管道内压产生的轴向拉应力为：

$ {\sigma _{\rm{L}}} = \frac{{100q{L^2}}}{W} $ (6)
$ {\sigma _{\rm{L}}} = \frac{{{\rm{ \mathit{ π} }}({D_{\rm{i}}}^4-{D_0}^4)}}{{32{D_0}}} $ (7)

式中，q为每米管道总体所受重力，N/m；σL为轴向拉应力，MPa；L为管道跨距，m；W为管道抗弯截面模量，mm3；Di为管道内径，mm；Do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 Table 7    Axial tensile stresses caused by pipe mass

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的轴向拉应力之和，见表 8。

表 8    管道轴向拉应力 Table 8    Axial tensile stresses of each pipeline

GB/T 20801.2-2006《压力管道规范工业管道》规定20#钢最小抗拉强度值为410 MPa[7]，放空过程中管道轴向拉应力总和小于41 MPa(材料最小抗拉强度的10%)，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

此放空管道最大工作压力为0.599 MPa，根据TSG-D0001-2009《压力管道安全技术监察规程-工业管道》中关于工业管道的等级划分可知[11]，此管道属于GC2管道，且其最低设计温度不低于-101 ℃，满足“低温低应力工况”的第三条判定标准。

由以上分析可知，此放空管道属于“低温低应力工况”，通过合理的配管，放空主管和支管均可采用使用温度下限为-20 ℃的20#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。

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