管道工程设计问题的改进建议

关键词：天然气管道；设计方案；应力分析；第三方破坏；ANSYS软件；压力站场

随着我国市场经济的飞速发展，天然气能源的需求也不断地增长。天然气的有效开发利用，离不开天然气输气管道的输送.从某种程度上看，天然气管道设计水平的高低直接影响着天然气的运输安全。因此，提升天然气管道的设计水平和管理水平，是保证我国天然气行业健康发展的必要条件。

一、压缩机组设计工况与运行工况偏离问题及解决措施

压缩机供货商在投标文件中提供的性能曲线一般局限于有限个水力工况点参数。对于多压气站的长输管道，由于下游用气市场数据不断更新，逐年的输量台阶和压缩机站投运方案也随之不断变化，用户在压缩机组招标期间提供给压缩机供货商的计算参数与实际输量有较大的差别。在压缩机运转时，某些工作点甚至有可能进入喘振线或超过最大和最小转速曲线。因此，在设计阶段确定了压缩机站的布站方案，而在压缩机组采办过程中，以及管道的投产和运行阶段需要对各站压缩机组开展适应性研究，以指导工程做出合理的投产调整计划。压缩机组的适应性分析，是将压缩机组供货商提供的压缩机性能参数和燃气轮机性能参数输入已建的仿真模型，通过仿真软件自动计算，将压缩机组特性参数拟合成新的曲线图谱；并根据新的曲线图谱进行不同输量的水力计算，找到管路特性曲线和压缩机特性曲线、燃气轮机性能曲线的工作点，确定不同输量工况下水力系统的工作点是否在机组的性能曲线安全工作区内；并计算出压缩机的效率、耗气量、压缩机转速、及燃气轮机耗功等实际工作参数。压缩机组的适应性分析是一项十分重要的工作，对压缩机组的评标、管道运行状态的分析和启停机模拟都有很高的实际价值，其重要性应受到后续建设的天然气管道项目组的重视。

二、数字化设计移交问题及解决措施

在天然气管道工程设计方面，国内目前普遍使用基于二维设计软件AutoCAD，利用计算机辅助设计功能，快速绘制图纸。与曾经使用的手绘方式相比，其虽然提高了计算、绘图的效率，但其成果仅仅为图面上和报告上的内容，无法直观地体现出多张图纸和报告乃至工程内各专业各设备之间的关系。交付给业主、施工方的设计蓝图也是各专业的图纸文件和计算报告，工程实施时仍需专业化的工程师进行审读、串接以指导施工。整个交付过程并未发挥出计算机和网络技术所带来的数字化优势。针对上述问题，国内外各大设计单位在进行工程设计时，陆续引用市面上的主流数字化设计软件进行工程设计。管道行业工艺专业的主流数字化设计软件包括SPID、PDMSSP3D等，各设计软件侧重点不同，但都具备唯一成果库，能形成整套三维数字化设计成果，各软件规模普遍比较巨大，十分昂贵，并且无法将成果以直观的方式移交给业主及施工单位。因此，设计单位应自主设计多终端数字化设计移交系统，以手机、浏览器和计算机多终端形式移交至业主方及施工方，且硬件需求应在市面各终端常用硬件的性能之内，其主要技术包含数字化设计移交平台的开发构架技术和数据的提取及再生成技术，为工程在设计阶段的准确性、施工阶段的可指导性和交付阶段的整合性提供保证。

三、天然气管道应力变形及解决措施

为保障天然气管道的安全，我国从管道的设计、制造和安装到使用，制定了一系列的国家标准。但是，在管道的施工及投产运营过程中，往往会出现一些设计时未考虑的外部载荷的作用使管道发生变形，因此，在管道设计中必须全面考虑应力的影响，才能更真实地反应管道的受力状态。在管道设计时如何预估管道的受力及对方案进行安全性评价，成为亟待解决的问题。在设计方案交付施工前，应对方案进行完整的应力分析并校验通过。可采用以3D梁单元模型为基础的有限元分析CAESAR软件，它是一款专业管道应力分析软件，可开展输气站场应力、约束和位移结果分析；可对处于持续工况、膨胀工况、操作工况等3种工况条件下的管道进行工艺管道应力分析，检查其应力是否超过规定的材料许用应力值。此外，对于某公司埋地管道受外部载荷（堆土等因素）作用已经发生变形的问题，可采用ANSYS软件对管道变形进行模拟计算，为管道的安全评估及预测提供依据。ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，该软件具有完备的前处理功能、强劲的后处理功能以及多种可实现的的二次开发功能。通过ANSYS建立并求解的问题模型，可以近似模拟真实环境的应力值。借助ANSYS进行结构强度及刚度分析，可以准确地了解整个工程结构的应力分布以及发生变形的工况。

四、燃机驱动的压气站场余热浪费问题及解决措施

在天然气管道的建设过程中，当压气站处在缺少电源的地区时，多采用燃气轮机驱动天然气压缩机，同时排出高达500℃的烟气，其烟气的热焓约为731千焦/立方米可利用的热焓为452～480千焦/立方米。据调查，燃气轮机的热能利用效率为30%～40%，其余大多数热能以高温烟气的形式将热量排放掉了。如果将烟气中的热能加以回收利用，既节约能源，又保护了环境，还提高了燃气轮机的经济运行效益。因此，设计人员应考虑如何有效利用燃机的余热。长输管线压气站一般远离城镇，建筑面积小，人员少，生产用热、采暖用热、空调制冷和生活热水等负荷都不大，因此，利用燃气轮机排放温度为450℃～500℃的高温烟气加热流经余热锅炉的水，通过余热锅炉将燃气轮机烟气热量转换为水的热能，冬季提供办公室、房屋、员工宿舍和食堂等地的生活生产用热，夏季提供生活热水用热。燃气轮机余热利用的多少，关系到经济效益的大小，应尽量做到余热全部利用，取得最大的经济效益。当然，站内如何利用余热的方案还需因地制宜，经过技术经济比选后决定。

五、天然气管道第三方破坏及解决措施

近年来，因第三方破坏而造成的事故呈上升趋势，给天然气管道安全造成了严重的威胁。据统计，1969年至2010年期间，四川省输气干线发生事故的破坏原因中，第三方破坏占15.8%。由于管道业主对腐蚀、焊接和材料缺陷引起的管道事故十分重视，提高了腐蚀和焊接的施工质量和验收标准以及对优质钢材的使用，使得由腐蚀、焊接和材料缺陷引起的管道失效事故在逐年降低。然而，随着我国城镇化的快速发展，大量管道位于人群聚居区，人为影响因素增多，由第三方破坏引起的管道事故仍逐年增加。油气管道第三方破坏随机性强，不易预测和控制，因此，必须对起因进行深入研究。从破坏管道的意图来区分，第三方破坏一般分为两种情形：一种是自然灾害引起的破坏，另一种是非自然灾害破坏。针对自然灾害引起的破坏，需要在勘察选线时深入研究，尽量选择地址条件稳定的地区铺设管线；对于人为蓄意破坏情况，管线埋地深度是影响天然气管道安全的直接因素。埋地深度越浅，管道越容易受到第三方破坏。不同地区的非自然灾害破坏形式不同，建议对不同地区的第三方破坏的因素进行细化和归类，分别建立模型，并加强对管道沿线居民安全知识的宣传和教育，提高安全防范意识。管道安全巡检采用人机结合的方式，采用多种方式进行安全监视，相互补短，提高巡线质量。

六、结语

近年来，随着我国天然气资源的不断开发利用，天然气长输管道也在快速建设。天然气管道的设计和施工建设不仅是一项周期较长的工程，同时也是一项较为复杂的工程，还会面临着许多设计施工方面的问题。天然气管道是保证天然气输送能力的重要载体，其安全性和可靠性备受关注。天然气管道在设计建设过程中，设计方案是长输管道的核心和灵魂，应该对设计过程中的每一个环节进行谨慎设计和反复推敲，不仅要引进先进的技术设备，同时还要积极解决现有的问题，并且结合设计施工过程中出现的问题，采取有效地解决措施。

作者:裴娜 丛瑞 佟立花 单位:中国石油管道局工程有限公司 中油管道物资装备有限公司