管道工程設(shè)計問題的改進(jìn)建議

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關(guān)鍵詞：天然氣管道；設(shè)計方案；應(yīng)力分析；第三方破壞；ANSYS軟件；壓力站場

隨著我國市場經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，天然氣能源的需求也不斷地增長。天然氣的有效開發(fā)利用，離不開天然氣輸氣管道的輸送.從某種程度上看，天然氣管道設(shè)計水平的高低直接影響著天然氣的運(yùn)輸安全。因此，提升天然氣管道的設(shè)計水平和管理水平，是保證我國天然氣行業(yè)健康發(fā)展的必要條件。

一、壓縮機(jī)組設(shè)計工況與運(yùn)行工況偏離問題及解決措施

壓縮機(jī)供貨商在投標(biāo)文件中提供的性能曲線一般局限于有限個水力工況點(diǎn)參數(shù)。對于多壓氣站的長輸管道，由于下游用氣市場數(shù)據(jù)不斷更新，逐年的輸量臺階和壓縮機(jī)站投運(yùn)方案也隨之不斷變化，用戶在壓縮機(jī)組招標(biāo)期間提供給壓縮機(jī)供貨商的計算參數(shù)與實際輸量有較大的差別。在壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，某些工作點(diǎn)甚至有可能進(jìn)入喘振線或超過最大和最小轉(zhuǎn)速曲線。因此，在設(shè)計階段確定了壓縮機(jī)站的布站方案，而在壓縮機(jī)組采辦過程中，以及管道的投產(chǎn)和運(yùn)行階段需要對各站壓縮機(jī)組開展適應(yīng)性研究，以指導(dǎo)工程做出合理的投產(chǎn)調(diào)整計劃。壓縮機(jī)組的適應(yīng)性分析，是將壓縮機(jī)組供貨商提供的壓縮機(jī)性能參數(shù)和燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)輸入已建的仿真模型，通過仿真軟件自動計算，將壓縮機(jī)組特性參數(shù)擬合成新的曲線圖譜；并根據(jù)新的曲線圖譜進(jìn)行不同輸量的水力計算，找到管路特性曲線和壓縮機(jī)特性曲線、燃?xì)廨啓C(jī)性能曲線的工作點(diǎn)，確定不同輸量工況下水力系統(tǒng)的工作點(diǎn)是否在機(jī)組的性能曲線安全工作區(qū)內(nèi)；并計算出壓縮機(jī)的效率、耗氣量、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、及燃?xì)廨啓C(jī)耗功等實際工作參數(shù)。壓縮機(jī)組的適應(yīng)性分析是一項十分重要的工作，對壓縮機(jī)組的評標(biāo)、管道運(yùn)行狀態(tài)的分析和啟停機(jī)模擬都有很高的實際價值，其重要性應(yīng)受到后續(xù)建設(shè)的天然氣管道項目組的重視。

二、數(shù)字化設(shè)計移交問題及解決措施

在天然氣管道工程設(shè)計方面，國內(nèi)目前普遍使用基于二維設(shè)計軟件AutoCAD，利用計算機(jī)輔助設(shè)計功能，快速繪制圖紙。與曾經(jīng)使用的手繪方式相比，其雖然提高了計算、繪圖的效率，但其成果僅僅為圖面上和報告上的內(nèi)容，無法直觀地體現(xiàn)出多張圖紙和報告乃至工程內(nèi)各專業(yè)各設(shè)備之間的關(guān)系。交付給業(yè)主、施工方的設(shè)計藍(lán)圖也是各專業(yè)的圖紙文件和計算報告，工程實施時仍需專業(yè)化的工程師進(jìn)行審讀、串接以指導(dǎo)施工。整個交付過程并未發(fā)揮出計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所帶來的數(shù)字化優(yōu)勢。針對上述問題，國內(nèi)外各大設(shè)計單位在進(jìn)行工程設(shè)計時，陸續(xù)引用市面上的主流數(shù)字化設(shè)計軟件進(jìn)行工程設(shè)計。管道行業(yè)工藝專業(yè)的主流數(shù)字化設(shè)計軟件包括SPID、PDMSSP3D等，各設(shè)計軟件側(cè)重點(diǎn)不同，但都具備唯一成果庫，能形成整套三維數(shù)字化設(shè)計成果，各軟件規(guī)模普遍比較巨大，十分昂貴，并且無法將成果以直觀的方式移交給業(yè)主及施工單位。因此，設(shè)計單位應(yīng)自主設(shè)計多終端數(shù)字化設(shè)計移交系統(tǒng)，以手機(jī)、瀏覽器和計算機(jī)多終端形式移交至業(yè)主方及施工方，且硬件需求應(yīng)在市面各終端常用硬件的性能之內(nèi)，其主要技術(shù)包含數(shù)字化設(shè)計移交平臺的開發(fā)構(gòu)架技術(shù)和數(shù)據(jù)的提取及再生成技術(shù)，為工程在設(shè)計階段的準(zhǔn)確性、施工階段的可指導(dǎo)性和交付階段的整合性提供保證。

三、天然氣管道應(yīng)力變形及解決措施

為保障天然氣管道的安全，我國從管道的設(shè)計、制造和安裝到使用，制定了一系列的國家標(biāo)準(zhǔn)。但是，在管道的施工及投產(chǎn)運(yùn)營過程中，往往會出現(xiàn)一些設(shè)計時未考慮的外部載荷的作用使管道發(fā)生變形，因此，在管道設(shè)計中必須全面考慮應(yīng)力的影響，才能更真實地反應(yīng)管道的受力狀態(tài)。在管道設(shè)計時如何預(yù)估管道的受力及對方案進(jìn)行安全性評價，成為亟待解決的問題。在設(shè)計方案交付施工前，應(yīng)對方案進(jìn)行完整的應(yīng)力分析并校驗通過?？刹捎靡?D梁單元模型為基礎(chǔ)的有限元分析CAESAR軟件，它是一款專業(yè)管道應(yīng)力分析軟件，可開展輸氣站場應(yīng)力、約束和位移結(jié)果分析；可對處于持續(xù)工況、膨脹工況、操作工況等3種工況條件下的管道進(jìn)行工藝管道應(yīng)力分析，檢查其應(yīng)力是否超過規(guī)定的材料許用應(yīng)力值。此外，對于某公司埋地管道受外部載荷（堆土等因素）作用已經(jīng)發(fā)生變形的問題，可采用ANSYS軟件對管道變形進(jìn)行模擬計算，為管道的安全評估及預(yù)測提供依據(jù)。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，該軟件具有完備的前處理功能、強(qiáng)勁的后處理功能以及多種可實現(xiàn)的的二次開發(fā)功能。通過ANSYS建立并求解的問題模型，可以近似模擬真實環(huán)境的應(yīng)力值。借助ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度分析，可以準(zhǔn)確地了解整個工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布以及發(fā)生變形的工況。

四、燃機(jī)驅(qū)動的壓氣站場余熱浪費(fèi)問題及解決措施

在天然氣管道的建設(shè)過程中，當(dāng)壓氣站處在缺少電源的地區(qū)時，多采用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動天然氣壓縮機(jī)，同時排出高達(dá)500℃的煙氣，其煙氣的熱焓約為731千焦/立方米可利用的熱焓為452～480千焦/立方米。據(jù)調(diào)查，燃?xì)廨啓C(jī)的熱能利用效率為30%～40%，其余大多數(shù)熱能以高溫?zé)煔獾男问綄崃颗欧诺袅?。如果將煙氣中的熱能加以回收利用，既?jié)約能源，又保護(hù)了環(huán)境，還提高了燃?xì)廨啓C(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益。因此，設(shè)計人員應(yīng)考慮如何有效利用燃機(jī)的余熱。長輸管線壓氣站一般遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，建筑面積小，人員少，生產(chǎn)用熱、采暖用熱、空調(diào)制冷和生活熱水等負(fù)荷都不大，因此，利用燃?xì)廨啓C(jī)排放溫度為450℃～500℃的高溫?zé)煔饧訜崃鹘?jīng)余熱鍋爐的水，通過余熱鍋爐將燃?xì)廨啓C(jī)煙氣熱量轉(zhuǎn)換為水的熱能，冬季提供辦公室、房屋、員工宿舍和食堂等地的生活生產(chǎn)用熱，夏季提供生活熱水用熱。燃?xì)廨啓C(jī)余熱利用的多少，關(guān)系到經(jīng)濟(jì)效益的大小，應(yīng)盡量做到余熱全部利用，取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然，站內(nèi)如何利用余熱的方案還需因地制宜，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后決定。

五、天然氣管道第三方破壞及解決措施

近年來，因第三方破壞而造成的事故呈上升趨勢，給天然氣管道安全造成了嚴(yán)重的威脅。據(jù)統(tǒng)計，1969年至2010年期間，四川省輸氣干線發(fā)生事故的破壞原因中，第三方破壞占15.8%。由于管道業(yè)主對腐蝕、焊接和材料缺陷引起的管道事故十分重視，提高了腐蝕和焊接的施工質(zhì)量和驗收標(biāo)準(zhǔn)以及對優(yōu)質(zhì)鋼材的使用，使得由腐蝕、焊接和材料缺陷引起的管道失效事故在逐年降低。然而，隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，大量管道位于人群聚居區(qū)，人為影響因素增多，由第三方破壞引起的管道事故仍逐年增加。油氣管道第三方破壞隨機(jī)性強(qiáng)，不易預(yù)測和控制，因此，必須對起因進(jìn)行深入研究。從破壞管道的意圖來區(qū)分，第三方破壞一般分為兩種情形：一種是自然災(zāi)害引起的破壞，另一種是非自然災(zāi)害破壞。針對自然災(zāi)害引起的破壞，需要在勘察選線時深入研究，盡量選擇地址條件穩(wěn)定的地區(qū)鋪設(shè)管線；對于人為蓄意破壞情況，管線埋地深度是影響天然氣管道安全的直接因素。埋地深度越淺，管道越容易受到第三方破壞。不同地區(qū)的非自然災(zāi)害破壞形式不同，建議對不同地區(qū)的第三方破壞的因素進(jìn)行細(xì)化和歸類，分別建立模型，并加強(qiáng)對管道沿線居民安全知識的宣傳和教育，提高安全防范意識。管道安全巡檢采用人機(jī)結(jié)合的方式，采用多種方式進(jìn)行安全監(jiān)視，相互補(bǔ)短，提高巡線質(zhì)量。

六、結(jié)語

近年來，隨著我國天然氣資源的不斷開發(fā)利用，天然氣長輸管道也在快速建設(shè)。天然氣管道的設(shè)計和施工建設(shè)不僅是一項周期較長的工程，同時也是一項較為復(fù)雜的工程，還會面臨著許多設(shè)計施工方面的問題。天然氣管道是保證天然氣輸送能力的重要載體，其安全性和可靠性備受關(guān)注。天然氣管道在設(shè)計建設(shè)過程中，設(shè)計方案是長輸管道的核心和靈魂，應(yīng)該對設(shè)計過程中的每一個環(huán)節(jié)進(jìn)行謹(jǐn)慎設(shè)計和反復(fù)推敲，不僅要引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備，同時還要積極解決現(xiàn)有的問題，并且結(jié)合設(shè)計施工過程中出現(xiàn)的問題，采取有效地解決措施。

作者:裴娜 叢瑞 佟立花 單位:中國石油管道局工程有限公司 中油管道物資裝備有限公司