码头及港口危险化学品输配管线安全分析

近期码头及港口的危险化学品安全问题再次引起重视。近几年,随着我国能源结构的调整及经济的发展,在我国沿海已建、正在新建一批LNG、LPG等危险化学品装卸管线,因其是多种化学品的混合物,且多数都在《危险化学品名录》中,因此要对这些危险化学品装卸管道系统进行严格的安全分析和评估,且必须遵循《危险化学品安全管理条例》。

根据这些危险化学品(LNG、LPG等)物性特点和我们一些客户的相关项目的经验,此类危险化学品介质的装卸系统在设计时应主要考虑如下安全问题:

  • 瞬态压力过大引起的管道爆裂——危险化学品装卸系统通常配有紧急阀门,当阀门关闭或开启,泵启停等操作时,往往会引发阀门前后泵前后出现剧烈的压力波动。此时,当瞬态压力低于介质的饱和压力时,就会有气体析出,如不加以控制将导致空穴产生引起汽蚀,进而引发“断柱再弥合”这种严重水锤事故。如果瞬态压力高于管道设计压力,装卸系统管线将存在超压爆管的可能性。系统设计时应对此类操作工况进行详细的评估,以避免管道爆裂。
  • 瞬态冲击力过大引起的管道破裂及支架失效——装卸系统ESD阀门关闭或开启,泵启停等操作时,在通过合理的阀门开关时间和方式,合理的泵启停方式,可以有效的避免严重负压和正压引起的爆管问题,但是此时水锤力对管道的弯头处的冲击作用将凸显,若此时管线直段较长,根据管径的不同水锤力可达15~20吨,在此种冲击力作用下管道将发生大的变形,进而引起管道破裂或者支架失效。所以在管线应力计算设计阶段应充分考虑水锤力带给管线及支架强度的影响。

那么当前我国由寰球、成达、德国TGE、中石化洛阳、中石化宁波等设计的LNG、LPG等危险化学品码头是如何解决这几个问题的呢?作为LNG接收站设计行业的领导者,法国索菲、德国TGE使用AFT Impulse对管线进行瞬态压力评估和水锤力的计算,使用START-PROF、AutoPipe、CAESAR II等应力分析软件对系统管线进行水锤力作用下的管线应力计算及支架选型,全面保证管线的安全运行。我国的相关设计院和工程公司在引进工艺包的同时,也将相应的设计手段引进国内,并使用这些软件设计相应的危险化学品输配管线,现在已完全掌握了此类管线的设计要素,并也将AFT Impulse等工具应用的更加娴熟。

解决危险化学品输配管线安全评估问题分为如下两个步骤进行:

    1) 系统瞬态超压分析和水锤力计算

由上述问题可知,当危险化学品装卸系统进行阀门关闭或开启,泵启停等操作时,引发的负压水锤或正压水锤可能引发爆管。我们应充分考虑可能诱发水锤的突发工况,并设计相应的抑制水锤措施预防管道超压!那么我们如何判断是否产生了气穴,是否发生了“断柱弥合”?何时发生的“断柱弥合”,如何抑制应对该水锤超压? AFT Impulse软件可以为您提供一套完整的解决。AFT Impulse中内置有专用来考虑“断柱弥合”这种的水锤计算的气穴模型,可帮你准确计算出若发生“断柱弥合”时的瞬态压力。并且还可通过调整阀门的开关时间和开关的方式来抑制水锤,并最终帮你确定阀门的开关时间和方式以满足管线安全要求。AFT Impulse还可计算出每段管子上的弯头处所受的水锤力并可用于START-PROF、AutoPipe、CAESAR II进行应力分析和支架的选型。

    2)  水锤力作用下的管道应力分析:

常规的危险化学品输配管线中设计人员只考虑重量、压力、温度作用下的管道应力分析,然后通过设置支架和膨胀弯来满足重量和热胀冷缩的要求。但是水锤力带给管线的影响是保证所有管线在服役期间正常运行的另一个重点,而且瞬态水锤力属于动载范畴,需要区别于以往的静态分析,应用动态分析完成详细的分析,以获得水锤力作用下的管线应力和支架承载要求。

  • 管道动态载荷应力分析——危险化学品输配管线在运行过程中可能出现紧急切断阀的快速关断、卸船泵跳车等情况。这些突发事件一旦发生必定会引起管线全程压力剧烈波动,瞬态压力波动导致管线弯头之间压力不平衡,形成巨大的水锤力瞬间冲击管道、支架或设备接口,可能管道大变形破裂、法兰泄露、管口和支架瞬时推力过大。此时必须对管线水锤力作用下的安全进行评定,AFT Impulse计算出的水锤力可以直接给出最大静态峰值力大小,设计人员根据结算结果来决定防水锤支架的位置及承载力大小。进而从支架形式及强度角度保证管线安全运行。

以上内容是我们根据长期的计算经验总结的危险化学品输配管线安全评估分析内容。AFT Impulse软件是由北京艾思弗公司代理的著名管网流体分析软件,当前国内几乎所有的LNG接收站项目及危化品码头管网瞬态分析计算均由AFT Impulse完成。同时我公司还为客户提供管网流体、应力分析相关的计算及咨询服务,我们的流体分析业务已经为中海壳牌危化品码头、美国空气化工产品(Air Products)、TGE、沪东中华造船(集团)有限公司、上海外高桥造船有限公司、香港奇士集团等公司的多个项目提供了计算分析服务,管道应力分析业务更是为数百个项目提供了相关的服务与咨询。

TGE深圳LNG装卸管线系统的水锤分析模型和工况分析要点: 

  • 系统中阀门的操作和泵的启停是否会引发正压水锤或气穴水锤?
  • 各种突发事件情况下瞬态冲击压力是否超过管壁设计压力?
  • 如何抑制水击的产生和预防超压?
  • 水锤发生瞬间产生的水锤力是否会导致管道偶然应力超标,支架和管口过载或管道振动?如何设防?
  • 将各段管子的水锤力导出,添加到CAESAR II中进行管道应力分析

 

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