Comparison of displacement mitigation solutions of pig launcher in gas gathering station
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摘要: 集气站内收、发球筒与站外埋地管道通过过渡段相连。当埋地管道的操作温度高于安装温度时，埋地管道发生热膨胀可能使地上管道推挤设备、阀门等而造成破坏或过量变形。为此，以某工程集气站内发球筒和埋地管道为研究对象，利用应力分析软件CAESAR Ⅱ分析埋地管道二次应力对发球筒锚固墩的影响。某集气站发球筒管道改造实践表明：设置45°π形补偿结构、将地面支撑改为滑动支撑能有效减缓发球筒位移，确保管道通球作业顺利进行，保证发球筒正常运行，证明改进方案切实可行。Abstract: The pig receiver/launcher inside the gas gathering station is connected to the buried pipeline outside the station by a transition section. When the operating temperature is higher than the installation temperature, the buried pipeline will suffer thermal expansion, which makes the ground pipeline push equipment or valves and thereby cause them damaged or excessively deformed. In this paper, the stress analysis software CAESAR Ⅱ is used to analyze the impacts of the secondary stress of buried pipelines on the anchor pier of pig launcher in a gas gathering station. The renovation of pig launcher and pipelines in a gas gathering station shows that, the displacement of pig launcher is mitigated effectively by setting a 45° π-shaped compensation structure and using sliding support instead of ground support, so that the pigging is conducted smoothly and the pig launcher runs normally. The practices prove the feasibility of such renovation scheme.
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Keywords:
- gas gathering station /
- pig launcher /
- displacement /
- mitigation /
- stress analysis
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集气站的管道及设备装置为压力容器，其所输送介质均为易燃、易爆物质。由于地温温差影响导致埋地管道伸长，使得与其相连的地上管道、设备发生不同程度的位移，对管道及其设备的正常运行产生严重影响。分析集气站内管道及设备的应力分布情况，并制定合理的改进方案，对于集气站安全运行具有重要意义[1-7]。以某天然气管道工程集气站为例，通过建模及应力分析，开展位移减缓方案比选研究，对发球筒位移进行控制。
1. 模型建立及应力分析
某集气站发球筒发生位移，平均位移量为3 cm，地面基础已破坏，发球筒的水泥支墩出现不同程度的破坏情况。该发球筒的旁通管道和放空管道均在地上安装，支撑形式为滑动支撑。经作业区采气员检查，并未发现发球筒三通处有位移情况。
CAESAR Ⅱ是国际公认的管道应力分析程序应用最广泛的软件之一，也是进入中国市场最早、应用最广泛的管道应力分析软件[8]。采用CAESAR Ⅱ软件建立该发球筒及其所连接管道的三维模型，将模型所得的发球筒位移情况与现场实际资料进行对比，以确定模型的可靠性。
1.1 模型建立
CAESAR Ⅱ软件在建模过程中需要的主要参数包括管道、设备及其管道所在地的土壤参数等（表 1、表 2）[9]。将工艺参数输入软件中，得到发球筒及其设备的应力分析模型（图 1）。
表 1 管道及其设备的相关参数
表 2 管道所在地的土壤参数
1.2 可靠性分析
根据图 1进行模拟计算，得到发球筒处在持续工况下最大位移情况（表 3）。可见，发球筒最大位移处为节点10，最大位移量为沿x轴方向－35.010 1 mm。与现场实际情况33.269 1 mm接近，该模型符合现场实际情况，可使用该模型进行解决方案设计。
表 3 持续工况下发球筒位移的计算结果
2. 解决方案
连接发球筒的埋地管道在操作工况下产生的热膨胀，是发球筒位移产生的主要原因。为保证在操作工况下发球筒的安全运行，提出3种解决方案。
2.1 方案比选
（1）方案一。为了防止因管道热膨胀推挤设备、阀门、弯头等而造成破坏或过量的变形，在埋地管道出土进入泵房或阀室的地方，以及某些埋地管道弯头的两侧，常需设置固定支墩来加以保护[10]。为此，在某集气站埋地管道入土段节点112处设置固定支墩（图 2）。
（2）方案二。该集气站发球筒处的位移主要由埋地管道段所受二次应力引起（图 3），待管道停产后，在距离管道入土端6 m处设置各段长度均为6 m的90°π形补偿结构。这些弯管改变管道的轴线方向，增加了管道的柔性，使管道易于变形，有利于减小管道的温度应力[9]。
（3）方案三。待该集气站管道停产后，在距离管道入土端3 m处设置各段长度均为6 m的45°π形补偿结构（图 4），从而增加埋地管道的柔性。
采用CAESAR Ⅱ软件对上述3种改造方案进行应力分析，得到方案一中固定支墩处（节点112）受力情况（表 4）及3种方案中发球筒（节点10处）位移情况（表 5），结果表明3种方案中各补偿结构弯头处应力均未超标（表 6）。
表 4 某埋地管道节点112处受力情况
表 5 某埋地管道节点10处位移量
表 6 3种方案中弯头处应力的计算结果与ASME B31.3-2006许用应力的对比
2.2 比选结果分析
比较上述三个解决方案：方案一需设置能承受沿x轴方向711 868.1 N的固定支墩，由于该地区砂土较多且固定支墩体积较大，地基容易倾覆; 方案二可将发球筒位移控制在13 mm以内，但90°π形补偿结构不便于管道进行通球作业; 方案三可将发球筒位移控制在14 mm以内，该补偿结构便于管道进行通球作业。
由于该发球筒旁通、放空管道的站内部分均在地上安装，发球筒三通处并未发现位移情况。对发球筒旁通管道、放空管道埋地部分进行开挖的方案无法实施。综合考虑，选择方案三对发球筒及其管道进行改造，并修复地面基础，将其支撑形式改为滑动支撑。
3. 实例应用
某集气站内发球筒发生位移且地面基础已破坏，发球筒的旁通管道和放空管道均在地上安装，支撑形式为滑动支撑。将方案三应用于该集气站，在发球筒的埋地管道入土端附近设置45°π形补偿结构，并修复地面基础。发球筒恢复运行后，经检查发现：发球筒位移被控制在15 mm以内; 管道进行通球作业时，清管器可顺利通过45°π形补偿结构，且发球筒及管道运行正常。
4. 结束语
建立了发球筒及其连接管道的三维模型，将模型的应力分析结果与现场数据进行对比，模型位移量与实际位移量相吻合，三维模型满足应力分析要求。运用CAESAR Ⅱ软件对3种减缓位移方案进行比选，通过实例应用结果表明：在埋地管道入土段附近设置45°π形补偿结构能有效减缓发球筒处的位移量，并能保证管道通球作业顺利进行。由此，确定45°π形补偿结构为最佳方案。
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