管道工程設計問題的改進建議

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關鍵詞：天然氣管道；設計方案；應力分析；第三方破壞；ANSYS軟件；壓力站場

隨著我國市場經(jīng)濟的飛速發(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，天然氣管道設計水平的高低直接影響著天然氣的運輸安全。因此，提升天然氣管道的設計水平和管理水平，是保證我國天然氣行業(yè)健康發(fā)展的必要條件。

一、壓縮機組設計工況與運行工況偏離問題及解決措施

壓縮機供貨商在投標文件中提供的性能曲線一般局限于有限個水力工況點參數(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站投運方案也隨之不斷變化，用戶在壓縮機組招標期間提供給壓縮機供貨商的計算參數(shù)與實際輸量有較大的差別。在壓縮機運轉(zhuǎn)時，某些工作點甚至有可能進入喘振線或超過最大和最小轉(zhuǎn)速曲線。因此，在設計階段確定了壓縮機站的布站方案，而在壓縮機組采辦過程中，以及管道的投產(chǎn)和運行階段需要對各站壓縮機組開展適應性研究，以指導工程做出合理的投產(chǎn)調(diào)整計劃。壓縮機組的適應性分析，是將壓縮機組供貨商提供的壓縮機性能參數(shù)和燃氣輪機性能參數(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)新的曲線圖譜進行不同輸量的水力計算，找到管路特性曲線和壓縮機特性曲線、燃氣輪機性能曲線的工作點，確定不同輸量工況下水力系統(tǒng)的工作點是否在機組的性能曲線安全工作區(qū)內(nèi)；并計算出壓縮機的效率、耗氣量、壓縮機轉(zhuǎn)速、及燃氣輪機耗功等實際工作參數(shù)。壓縮機組的適應性分析是一項十分重要的工作，對壓縮機組的評標、管道運行狀態(tài)的分析和啟停機模擬都有很高的實際價值，其重要性應受到后續(xù)建設的天然氣管道項目組的重視。

二、數(shù)字化設計移交問題及解決措施

在天然氣管道工程設計方面，國內(nèi)目前普遍使用基于二維設計軟件AutoCAD，利用計算機輔助設計功能，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)各設備之間的關系。交付給業(yè)主、施工方的設計藍圖也是各專業(yè)的圖紙文件和計算報告，工程實施時仍需專業(yè)化的工程師進行審讀、串接以指導施工。整個交付過程并未發(fā)揮出計算機和網(wǎng)絡技術所帶來的數(shù)字化優(yōu)勢。針對上述問題，國內(nèi)外各大設計單位在進行工程設計時，陸續(xù)引用市面上的主流數(shù)字化設計軟件進行工程設計。管道行業(yè)工藝專業(yè)的主流數(shù)字化設計軟件包括SPID、PDMSSP3D等，各設計軟件側(cè)重點不同，但都具備唯一成果庫，能形成整套三維數(shù)字化設計成果，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，設計單位應自主設計多終端數(shù)字化設計移交系統(tǒng)，以手機、瀏覽器和計算機多終端形式移交至業(yè)主方及施工方，且硬件需求應在市面各終端常用硬件的性能之內(nèi)，其主要技術包含數(shù)字化設計移交平臺的開發(fā)構架技術和數(shù)據(jù)的提取及再生成技術，為工程在設計階段的準確性、施工階段的可指導性和交付階段的整合性提供保證。

三、天然氣管道應力變形及解決措施

為保障天然氣管道的安全，我國從管道的設計、制造和安裝到使用，制定了一系列的國家標準。但是，在管道的施工及投產(chǎn)運營過程中，往往會出現(xiàn)一些設計時未考慮的外部載荷的作用使管道發(fā)生變形，因此，在管道設計中必須全面考慮應力的影響，才能更真實地反應管道的受力狀態(tài)。在管道設計時如何預估管道的受力及對方案進行安全性評價，成為亟待解決的問題。在設計方案交付施工前，應對方案進行完整的應力分析并校驗通過?？刹捎靡?D梁單元模型為基礎的有限元分析CAESAR軟件，它是一款專業(yè)管道應力分析軟件，可開展輸氣站場應力、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行工藝管道應力分析，檢查其應力是否超過規(guī)定的材料許用應力值。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軟件對管道變形進行模擬計算，為管道的安全評估及預測提供依據(jù)。ANSYS軟件是融結(jié)構、熱、流體、電磁、聲學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)境的應力值。借助ANSYS進行結(jié)構強度及剛度分析，可以準確地了解整個工程結(jié)構的應力分布以及發(fā)生變形的工況。

四、燃機驅(qū)動的壓氣站場余熱浪費問題及解決措施

在天然氣管道的建設過程中，當壓氣站處在缺少電源的地區(qū)時，多采用燃氣輪機驅(qū)動天然氣壓縮機，同時排出高達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，燃氣輪機的熱能利用效率為30%～40%，其余大多數(shù)熱能以高溫煙氣的形式將熱量排放掉了。如果將煙氣中的熱能加以回收利用，既節(jié)約能源，又保護了環(huán)境，還提高了燃氣輪機的經(jīng)濟運行效益。因此，設計人員應考慮如何有效利用燃機的余熱。長輸管線壓氣站一般遠離城鎮(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荷都不大，因此，利用燃氣輪機排放溫度為450℃～500℃的高溫煙氣加熱流經(jīng)余熱鍋爐的水，通過余熱鍋爐將燃氣輪機煙氣熱量轉(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。燃氣輪機余熱利用的多少，關系到經(jīng)濟效益的大小，應盡量做到余熱全部利用，取得最大的經(jīng)濟效益。當然，站內(nèi)如何利用余熱的方案還需因地制宜，經(jīng)過技術經(jīng)濟比選后決定。

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)量和驗收標準以及對優(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性強，不易預測和控制，因此，必須對起因進行深入研究。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：一種是自然災害引起的破壞，另一種是非自然災害破壞。針對自然災害引起的破壞，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行細化和歸類，分別建立模型，并加強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結(jié)合的方式，采用多種方式進行安全監(jiān)視，相互補短，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。天然氣管道的設計和施工建設不僅是一項周期較長的工程，同時也是一項較為復雜的工程，還會面臨著許多設計施工方面的問題。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注。天然氣管道在設計建設過程中，設計方案是長輸管道的核心和靈魂，應該對設計過程中的每一個環(huán)節(jié)進行謹慎設計和反復推敲，不僅要引進先進的技術設備，同時還要積極解決現(xiàn)有的問題，并且結(jié)合設計施工過程中出現(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