Пример: Трубопроводный дизайн для ng-объектов - расчеты и стандарты

Сжиженный природный газ (СПГ) объекты представляют собой некоторые из самых сложных и требовательных сред в энергетическом секторе, требующих тщательного внимания к конструкции трубопроводов, инженерных расчетов и строгого соблюдения отраслевых стандартов.Это всестороннее тематическое исследование рассматривает критические аспекты проектирования трубопроводов для объектов СПГ, исследуя основные расчеты, выбор материалов, нормативные требования соответствия и соображения безопасности, которые обеспечивают эти системы работают безопасно и эффективно в экстремальных криогенных условиях.

Понимание СПГ и его уникальных проблем

Природный газ сжижается путем понижения температуры углеводорода примерно до -260°F, что делает возможным транспортировку при атмосферном давлении в виде СПГ. Эта экстремальная температура создает уникальные проблемы для конструкции трубопроводной системы, которые значительно отличаются от обычных технологических трубопроводов.

Сжижение природного газа осуществляется на объектах, называемых поездами СПГ, которые имеют сложную сеть трубопроводов, проходящих между различными участками внутри поезда. Эти трубопроводные системы должны поддерживать структурную целостность при обработке криогенных жидкостей, обеспечивать значительное тепловое расширение и сокращение и предотвращать любое высвобождение углеводородов во время нормальной работы станции.

Криогенные температуры определяются как -150°C (-238°F), а криогенные жидкости - это те, которые имеют точки кипения при атмосферном давлении выше этого температурного предела.Обычные криогенные жидкости включают аргон (-186°F), гелий (-452°F), водород (-423°F), азот (-321°F), кислород (-297°F) и метан (-256°F). Крайне низкие температуры СПГ предъявляют чрезвычайные требования к трубопроводным материалам, требуя тщательного отбора для предотвращения хрупкого разрушения и поддержания пластичности.

Критические расчеты в конструкции трубопроводов СПГ

Проектирование трубопроводных систем для объектов СПГ включает в себя несколько критических инженерных расчетов, которые составляют основу безопасных и эффективных операций. Эти расчеты должны учитывать уникальные свойства криогенных жидкостей и экстремальные условия эксплуатации.

Анализ падения давления

Расчеты падения давления имеют основополагающее значение для обеспечения адекватных скоростей потока и производительности системы в сетях трубопроводов СПГ. гидравлические расчеты требуют падения давления ниже 0,86 МПа при скорости потока 740 м3/ч для типичных применений СПГ. Эти расчеты должны учитывать свойства жидкости при криогенных температурах, шероховатости труб, фитингах, клапанах и других компонентах, которые способствуют общему сопротивлению системы.

Принципы потока жидкости не просты из-за взаимозависимости падения давления и трения, и это руководство по проектированию охватывает основные элементы в области выбора материала потока жидкости трубопровода и калибровки линии. Инженеры должны использовать специализированное программное обеспечение и эмпирические корреляции для точного прогнозирования потерь давления по всей системе, гарантируя, что насосы и компрессоры правильного размера и что требования к потоку удовлетворяются во всех условиях эксплуатации.

Толщина стен определяется

Расчет требуемой толщины стенки трубопровода СПГ имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы система могла безопасно выдерживать внутреннее давление при сохранении структурной целостности при криогенных температурах. Толщина стенки трубопровода должна превышать 7,08 мм на основе оценок внутреннего давления для типичных условий обслуживания СПГ.

Требования к проектированию и критерии приемлемости для систем трубопроводов СПГ основаны на признанных кодах, таких как ASME B31.3 и ASME BPVC, с изложением необходимых спецификаций для обеспечения безопасности, эффективности и соответствия с точки зрения обработки давления, стандартов материалов и анализа гибкости, с акцентом на расчеты конструкции в отношении толщины стенки, падения давления и гибкости. Расчет толщины стенки должен учитывать проектное давление, допустимое напряжение при рабочей температуре, допустимую коррозию и допуски производства.

Расчеты теплового расширения и сокращения

Тепловое расширение представляет собой одно из наиболее важных соображений проектирования для систем трубопроводов СПГ из-за экстремальных перепадов температур между условиями окружающей среды и рабочими температурами. Конструкция системы трубопроводов должна учитывать тепловое расширение, потому что изменения температуры заставляют материалы трубопроводов расширяться и сокращаться, и если это изменение размера не учитывается в конструкции, система может быть повреждена нормальными условиями работы, что может привести к утечкам и даже сбоям.

Если прогон трубы ограничен на обоих концах, так как он нагревает линейное расширение, вызовет сжимающее напряжение на материале, и когда эта чрезмерная сила превысит допустимое напряжение на материале, это приведет к повреждению трубы и потенциально кронштейнов, фитингов и клапанов.Расчет теплового расширения должен учитывать коэффициент теплового расширения для трубопроводного материала, длину пробегов труб и разницу температур между условиями установки и эксплуатации.

Суда и трубы, заполненные жидкостями, требуют сброса давления для защиты от потери сдерживания, вызванного тепловым расширением жидкости, которое происходит, когда жидкость нагревается в результате трассировки пара, солнечного излучения, внешнего огня и т. Д. Это особенно важно в системах СПГ, где заблокированные участки трубопроводов могут испытывать быстрое повышение давления при нагревании.

Анализ гибкости и расчеты стресса

Основными задачами анализа напряжений труб являются обеспечение конструктивной емкости против давления, различных нагрузок в жизненном цикле, различных операционных сценариев и нагрузок на несущие конструкции.Для трубопроводов СПГ этот анализ становится особенно сложным из-за экстремальных изменений температуры и возникающих тепловых напряжений.

Оценка стресса сравнивается с допустимым напряжением, определенным Американским обществом инженеров-механиков (ASME). Инженеры обычно используют специализированное программное обеспечение, такое как CAESAR II, для выполнения комплексного анализа напряжения, который учитывает устойчивые нагрузки (давление и вес), нагрузки смещения (тепловое расширение) и случайные нагрузки (ветровой, сейсмический, сброс клапана рельефа).

Понимание различия между устойчивыми нагрузками и смещениями (термическими) нагрузками имеет основополагающее значение для анализа гибкости трубопроводов, и когда система трубопроводов впервые нагревается, тепловые напряжения могут превышать прочность выхода материала в локализованных точках (локтях, ветвях), вызывая пластическую деформацию, которая создает остаточные напряжения. Это явление, известное как встряхивание, должно быть правильно понято и учтено в процессе проектирования.

Поддержка Span расчетов

Пролеты поддержки должны предотвращать провисание, позволяя максимальное отклонение 12 мм. Правильное расстояние между опорами необходимо для предотвращения чрезмерного отклонения трубы, минимизации концентраций напряжения и обеспечения того, чтобы система трубопроводов поддерживала свое выравнивание в течение всего срока службы. Расчеты поддержки должны учитывать вес трубы, изоляцию, содержание жидкости и любые дополнительные нагрузки, такие как накопление льда или доступ к техническому обслуживанию.

Отраслевые стандарты и нормативное соответствие

Соблюдение международно признанных стандартов не является обязательным в проектировании трубопроводов СПГ - это фундаментальное требование, которое обеспечивает безопасность, надежность и юридическое соответствие.

ASME B31.3 Процессный трубопроводный код

ASME B31.3 содержит требования к трубопроводам, обычно встречающимся на нефтеперерабатывающих заводах; химическим, фармацевтическим, водородным, текстильным, бумажным и целлюлозным, электрогенерирующим, полупроводниковым и криогенным установкам; и связанным с ними перерабатывающим заводам и терминалам. Этот код служит основным стандартом проектирования для трубопроводов для процесса СПГ в большинстве юрисдикций.

Трубопроводные системы должны соответствовать ASME B31.3 и эффективно выдерживать проектное давление. Кодекс предусматривает комплексные требования, охватывающие материалы, проектирование, изготовление, сборку, монтаж, экспертизу, инспекцию и тестирование трубопроводных систем. Тщательное применение этих кодов B31 поможет пользователям соблюдать применимые правила в пределах их юрисдикции, обеспечивая при этом эксплуатационные, экономические и безопасные преимущества, которые будут получены от многих отраслевых лучших практик, подробно описанных в этих томах.

Наиболее распространенным кодом для проектирования и строительства трубопроводов является ASME B31.3, и с момента его введения в 1935 году он руководил Северной Америкой и большей частью мира в безопасном производстве и использовании технологических трубопроводов в инжиниринговых компаниях, производителях оборудования, энергетике, аэрокосмической и многих других отраслях промышленности, и ASME B31.3 используется ежедневно, часто упоминается и хорошо понимается.

ASME B31.12 Водородные трубопроводы и трубопроводы

Для некоторых применений СПГ, особенно тех, которые связаны с водородом или требуют повышенных мер безопасности, может применяться ASME B31.12. B31.12 имеет сходство с более известным кодом ASME B31.3, с кратким обзором сходств и различий между ASME B31.3 и B31.12, уделяя особое внимание их применению в криогенной службе.

ASME B31.3 не имеет установленных требований к системе качества, указанных в коде, в то время как ASME B31.12 требует системы качества и детализирует требования в коде, и для соответствия требованиям в этом разделе, это лучшая отраслевая практика для каждой организации иметь сертифицированную программу управления качеством ISO 9001.

Стандарты API для применения СПГ

Американский институт нефти (API) публикует несколько стандартов, относящихся к объектам СПГ, в том числе API 620 для больших сварных резервуаров низкого давления и API 625 для систем резервуаров для хранения охлажденного сжиженного газа. Эти стандарты дополняют коды ASME, предоставляя конкретные требования к оборудованию для хранения и обработки, связанному с системами трубопроводов СПГ.

Гидравлический институт и API публикуют стандарты допустимых нагрузок на сопла насоса, а производители другого оборудования будут иметь ограничения на нагрузки на разъемы.Эти стандарты помогают обеспечить, чтобы системы трубопроводов были совместимы с подключенным оборудованием и не накладывали чрезмерных нагрузок, которые могли бы привести к отказу оборудования.

Международные и региональные стандарты

Помимо североамериканских стандартов, предприятиям СПГ, возможно, потребуется соблюдать международные стандарты, такие как EN 13480 для металлических промышленных трубопроводов в европейских приложениях. Трубопроводы могут соответствовать кодам проектирования EN13480 и ASME B31.3, что позволяет гибко выполнять региональные нормативные требования при сохранении согласованных стандартов безопасности.

Выбор материала для криогенной службы

Выбор материала представляет собой одно из наиболее важных решений в конструкции трубопроводов СПГ. Крайние низкие температуры обслуживания СПГ исключают многие материалы, обычно используемые в обычных трубопроводах, из-за риска хрупкого разрушения.

аустенитные нержавеющие стали

Наиболее распространенными материалами, используемыми в криогенных трубопроводах под давлением, являются аустенитная нержавеющая сталь (304/304L и 316/316L) и алюминий. Аустенитные нержавеющие стали сохраняют свою пластичность и прочность при криогенных температурах, что делает их идеальными для обслуживания СПГ.

Либо S304/L, либо S316/L можно использовать до -425°F без испытания на удар при условии, что материал находится в отожженном состоянии раствора. Это делает эти материалы особенно привлекательными для применения в СПГ, где рабочая температура обычно составляет около -260°F. В таблице 323.2.2 есть ограничения, включая содержание углерода менее 0,1%, и материал должен быть отожжен, и ни одно из этих ограничений не является проблемой, первое ограничивает нас до низкоуглеродных 304L и 316L марок (или двойных марок), в то время как отжиг раствора требуется производственная практика для этих материалов при заказе в спецификациях ASTM.

Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы обладают отличными криогенными свойствами и обычно используются в обслуживании СПГ, особенно для определенных применений, где вес является фактором. В случае алюминия минимальная температура, разрешенная для использования без испытания на прочность, составляет -452 ° F, и, таким образом, для алюминиевых материалов, перечисленных в таблице А-1, используемых при криогенных температурах, не требуется испытаний на прочность при температурах при или выше -452 ° F.

Эта исключительная низкотемпературная способность делает алюминий привлекательным вариантом для трубопроводов СПГ, хотя дизайнеры должны тщательно учитывать другие факторы, такие как совместимость с подключенным оборудованием, характеристики теплового расширения и требования к механической прочности.

Никель Стальные

Для СПГ криогенная температура может составлять -165 ° C, поэтому могут использоваться такие материалы, как A304L, 316, 321 и 347, а также 9% никелевая сталь или 7%. Девятипроцентная никелевая сталь широко используется в резервуарах для хранения СПГ и трубопроводах из-за ее отличной прочности при криогенных температурах и выгодной стоимости по сравнению с нержавеющей сталью для применений с большим диаметром.

Требования к прослеживаемости материалов

ASME B31.3 не имеет явного требования к прослеживаемости материала, в то время как ASME B31.12 требует прослеживаемости отчета о тестировании материалов (MTR) к отдельному компоненту. Для критически важных применений СПГ внедрение прослеживаемости материала, даже если это явно не требуется кодом, представляет собой наилучшую практику, которая повышает гарантию качества и облегчает будущее техническое обслуживание и модификации.

Системы теплоизоляции

Эффективная теплоизоляция необходима для систем трубопроводов СПГ, чтобы минимизировать теплоприем, предотвратить образование льда на внешних поверхностях, поддерживать температуру процесса и защищать персонал от криогенных ожогов. Конструкция системы изоляции должна сбалансировать тепловые характеристики, механическую долговечность и затраты.

Вакуумные изолированные трубопроводы

Вакуумно-изолированные трубопроводы под давлением криолина были разработаны для транспортировки LIN, LOX, LAR, GNL, LHe, LH2 и СПГ. Вакуумно-изолированные трубопроводы (VIP) обеспечивают превосходные тепловые характеристики, устраняя конвективную и проводящую передачу тепла через кольцевое пространство между внутренней технологической трубой и внешней курткой.

Это оптимальное решение для изоляции криогенных материалов и их транспортировки, гарантирующее качество благодаря проверке в соответствии с Кодексом ASME B31 и другими, такими как директивы 2014/68/EU и TR CU 032/2013. VIP-системы особенно полезны для длительных прогонов труб, критических технологических линий и приложений, где минимизация утечки тепла имеет важное значение для эффективности процесса.

Обычные изоляционные системы

Для применений, когда вакуумные изолированные трубопроводы экономически не оправданы, обычные изоляционные системы, использующие такие материалы, как пенополиуретан, перлит или клеточное стекло, могут обеспечить адекватные тепловые характеристики. Эти системы должны быть спроектированы с надлежащими паровыми барьерами для предотвращения попадания влаги и образования льда в изоляции, что ухудшит тепловые характеристики и потенциально повредит систему трубопроводов.

Процедура моделирования трубопроводов включает в себя определение давления, толщины и плотности слоя изоляции, поскольку эти параметры влияют на общий вес трубопроводной системы и должны учитываться при проектировании опоры и анализе напряжения.

Расширение совместного и гибкого дизайна

Размещение теплового расширения и сокращения является одним из самых сложных аспектов конструкции трубопроводов СПГ из-за экстремальных перепадов температур.У дизайнеров есть несколько вариантов для обеспечения необходимой гибкости.

Расширение Loops

U-петля является наиболее распространенной конфигурацией для трубопроводов и технологических трубопроводов, обеспечивает максимальную гибкость на единицу разработанной длины трубы, а петля простирается перпендикулярно пробегу трубы, поглощая осевой термический рост через изгиб офсетных ножек.

Расширительная петля обычно расположена на стороне самой горячей линии, расширительная петля, как правило, должна располагаться в центре расстояния между двумя якорями, а высота расширительной петли обычно вдвое превышает ширину.Эти руководящие принципы проектирования помогают обеспечить эффективную работу расширительных петлей при минимизации требований к пространству и материальных затрат.

Механические соединения расширения

В тех случаях, когда естественная гибкость не может быть достигнута, соединения расширения труб необходимы, и соединения расширения могут использовать сильфоны, шланги и косы, шаровые соединения, гибкие соединения или раздвижные механизмы, и все они имеют свои уникальные свойства, которые подходят для данной системы.

В приложении B31.3 X содержатся правила для расширительных соединений, которые содержат указания по выбору, установке и обслуживанию этих критически важных компонентов. Для обслуживания СПГ расширительные соединения должны быть тщательно отобраны для обеспечения совместимости с криогенными температурами и должны быть спроектированы таким образом, чтобы соответствовать ожидаемым движениям без превышения допустимых пределов напряжения.

Естественная гибкость через маршрутизацию

Наилучшая конфигурация трубопроводов является наименее дорогостоящей в долгосрочной перспективе, требуя учета стоимости установки, влияния потери давления на производство, беспокойства уровня стресса, усталостного отказа, эффектов поддержки и якоря, стабильности, простого обслуживания, параллельной мощности расширения и других. По возможности, проектировщики должны использовать изменения направления в маршруте трубопровода для обеспечения естественной гибкости, уменьшая или устраняя необходимость в выделенных петлях расширения или механических соединениях расширения.

Системы защиты от давления и сброса давления

Системы сброса безопасности имеют решающее значение для защиты трубопроводов СПГ от условий избыточного давления, которые могут возникнуть в результате теплового расширения захваченной жидкости, нарушений процесса, внешнего воздействия огня или неисправностей оборудования.

Размер и выбор клапанов Relief

Рельефные клапаны для обслуживания СПГ должны быть рассчитаны таким образом, чтобы они могли выдержать максимально вероятный сценарий рельефа при сохранении обратного давления в приемлемых пределах. Расчет размеров должен учитывать свойства СПГ в условиях рельефа, включая плотность, вязкость и давление пара. Особое внимание следует уделять двухфазным условиям потока, которые могут возникать при сбросе криогенных жидкостей.

Рельефные клапаны должны быть изготовлены из материалов, пригодных для криогенного обслуживания, и должны быть спроектированы для надежной работы при чрезвычайно низких температурах, встречающихся в приложениях СПГ. Разряд клапана должен быть направлен в безопасное место, как правило, в систему вспышек или вентиляционную трубу, где высвобождаемый газ может быть безопасно диспергированным или сожженным.

Требования к термическому оздоровлению

Помимо установления требуемых требований к тепловому рельефу, также полезно установить максимальное давление, которое может быть достигнуто во время ограниченного нагрева для систем, не вентилируемых или частично вентилируемых, и для того, чтобы получить более точные оценки максимального достигнутого давления, следует учитывать эластичность трубопровода/судна.

Заблокированные участки трубопроводов СПГ особенно уязвимы для избыточного давления от теплового расширения. Даже небольшое количество тепла может вызвать значительное повышение давления в жидкостной системе. Каждая секция трубопроводов, которая может быть изолирована клапанами, должна быть защищена соответствующим по размеру рельефным устройством или должна быть спроектирована так, чтобы выдерживать максимальное давление, которое может развиться.

Требования к сварке и изготовлению

Сварка трубопроводов СПГ требует специализированных процедур, квалифицированных сварщиков и строгого контроля качества для обеспечения герметичных соединений, которые поддерживают их целостность при криогенных температурах.

Процедуры сварки и квалификация

Оба кода ссылаются на ASME Sec. IX сварочный код и используют одни и те же процедуры для обслуживания жидкости. Спецификации процедуры сварки (WPS) должны быть разработаны и квалифицированы специально для материалов и толщин, используемых в обслуживании СПГ, с особым вниманием к поддержанию надлежащего ввода тепла, температуры интерпасса и требований к термической обработке после сварки.

Как B31.3, так и B31.12 требуют испытания на прочность/шарпирование на ударные образцы сварных материалов Р8 (пример: S304/L и 316/L) и приводят к минимальному боковому расширению, превышающему 0,015 дюйма (0,38 мм). Это испытание гарантирует, что сварные швы сохраняют адекватную прочность при криогенных рабочих температурах.

Неразрушающий экзамен

Как B31.3, так и B31.12 требуют неразрушающего контроля (NDE) готовых граничных сварных швов давления. Критерии степени и приемлемости NDE могут варьироваться в зависимости от конкретных требований кода и критичности услуги. Общие методы NDE для трубопроводов СПГ включают рентгенографическое тестирование, ультразвуковое тестирование, испытание на проникновение жидкости и тестирование магнитных частиц для ферритных материалов.

Хотя ASME B31.12 и ASME B31.3 имеют общие черты, они по-прежнему демонстрируют различия в своих требованиях, особенно в системах качества, степени требуемого NDE и критериях приемлемости для выполняемых NDE, и некоторые различия, которые имеют отношение к продуктам, были проиллюстрированы.

Испытание и ввод в эксплуатацию под давлением

Тщательные процедуры тестирования и ввода в эксплуатацию необходимы для проверки целостности трубопроводов СПГ до их ввода в эксплуатацию.

Гидростатическое и пневматическое тестирование

Испытание на давление - это метод, используемый для проведения испытаний на прочность и утечку трубопровода, участвующего в транспортировке углеводородов, и в этой статье основное внимание уделяется важности пневматического испытания давления трубопроводной системы, транспортирующей углеводороды (в частности, природный газ), в качестве чистого и более безопасного метода, обеспечивающего плотную конструкцию системы.

Проточные соединения и соединения трубок больше не нуждались в проверке на утечку в соответствии с испытанием на утечку ASME B31.3, и тестирование на утечку вакуума было включено в качестве альтернативы методу внутреннего давления. Эти обновления кода обеспечивают дополнительную гибкость в методах испытаний при сохранении стандартов безопасности.

Охлаждение и начальная операция

Первоначальный режим охлаждения трубопроводов СПГ должен тщательно контролироваться для предотвращения теплового шока и чрезмерных тепловых напряжений. Постепенные процедуры охлаждения позволяют системе трубопроводов равномерно сокращаться и обеспечивать функционирование опор и расширительных соединений в соответствии с проектной схемой. Мониторинг температуры в критических местах помогает обеспечить, чтобы показатели охлаждения оставались в приемлемых пределах.

В ходе начальной эксплуатации тщательный мониторинг производительности системы, включая перепады давления, температуры, уровни вибрации и поддерживающие нагрузки, помогает выявить любые проблемы, которые требуют коррекции до начала полномасштабной работы.

Предотвращение коррозии и совместимость материалов

В то время как криогенные температуры обычно снижают скорость коррозии, системы трубопроводов СПГ по-прежнему требуют тщательного внимания к совместимости материалов и предотвращению коррозии для обеспечения долгосрочной надежности.

Защита от внешней коррозии

Внешние поверхности трубопроводов СПГ, особенно в районах, где изоляция повреждена или может накапливаться влага, могут подвергаться коррозии.Правильные системы покрытия, барьеры влажности и регулярный осмотр помогают предотвратить внешнюю коррозию. Трубы из нержавеющей стали обычно обеспечивают отличную коррозионную стойкость, но компоненты углеродистой стали, такие как опоры и конструктивные элементы, требуют соответствующих защитных покрытий.

Внутренняя совместимость

СПГ, как правило, не коррозионно воздействует на правильно выбранные материалы, но примеси в потоке природного газа, такие как сероводород, двуокись углерода или вода, могут вызывать коррозию или другие механизмы деградации. Процессы очистки газа выше по течению от сжижения удаляют большинство загрязняющих веществ, но трубопроводные материалы все еще должны выбираться с учетом потенциального воздействия следовых примесей.

Предотвращение коррозии стресса

В некоторых средах аустенитные нержавеющие стали могут быть подвержены коррозионному растрескиванию под воздействием стресса, особенно в присутствии хлоридов. В то время как криогенные температуры обычно ингибируют коррозионное растрескивание под воздействием стресса, области, где трубопроводы работают при промежуточных температурах или где возможно внешнее загрязнение, требуют тщательного выбора материала и конструкции для предотвращения этого механизма отказа.

Системы поддержки и структурные соображения

Правильная конструкция поддержки необходима для поддержания выравнивания трубопроводов, контроля напряжений и обеспечения безопасной работы на протяжении всего срока службы объекта СПГ.

Типы поддержки и выбор

Системы трубопроводов СПГ используют различные типы поддержки, включая жесткие опоры, пружинные вешалки, постоянные опоры усилия и опоры скольжения. Выбор зависит от конкретных требований каждого местоположения, учитывая такие факторы, как тепловое движение, величина нагрузки и необходимость контроля высоты или выравнивания трубопроводов.

Поддержка криогенных трубопроводов должна быть разработана таким образом, чтобы минимизировать передачу тепла от опорной конструкции к холодной трубе, обычно с использованием изоляционных материалов или расширенной опорной обуви, которые позволяют опорной точке оставаться при температуре, совместимой с опорной структурой материала.

Якорь и дизайн гида

Эффекты теплового расширения могут быть учтены при тщательном расположении якорей и правильном выборе расширительных соединений. Якоря должны быть спроектированы так, чтобы противостоять силам, налагаемым тепловым расширением, в то время как направляющие позволяют контролировать движение в определенных направлениях. Расположение и конструкция якорей и направляющих существенно влияют на распределение напряжения по всей системе трубопроводов.

Сейсмические соображения

Сейсмический анализ учитывает динамическую реакцию системы трубопроводов на движение грунта, гарантируя, что напряжения остаются в допустимых пределах и что критические компоненты сохраняют свою целостность во время и после сейсмического события. Сейсмические опоры, трубы и другие ограничения могут потребоваться для ограничения движения трубопроводов и защиты соединений оборудования.

Оперативные соображения и техническое обслуживание

Долгосрочная надежность трубопроводов СПГ зависит от надлежащей операционной практики и регулярного технического обслуживания.

Программы инспекции и мониторинга

Регулярные программы осмотра помогают выявить потенциальные проблемы до того, как они приведут к сбоям. Деятельность по осмотру может включать визуальное обследование внешних поверхностей и изоляции, ультразвуковые измерения толщины для обнаружения коррозии или эрозии, мониторинг вибрации для выявления проблем вибрации, вызванных потоком, и тепловизионное исследование для обнаружения деградации изоляции или неожиданных источников тепла.

Сопровождение лучших практик

Для поддержания целостности системы трубопроводов СПГ необходимо тщательно планировать и выполнять работы по техническому обслуживанию. Это включает в себя регулярный осмотр и испытание предохранительных клапанов, техническое обслуживание систем изоляции, проверку функциональности поддержки и периодическое тестирование на утечку критических соединений и соединений. Любые модификации или ремонт должны выполняться в соответствии с применимыми кодами и стандартами с надлежащим инженерным обзором и документацией.

Ведение записей и документация

Комплексная документация расчетов конструкции, сертификации материалов, сварочных записей, результатов испытаний и мероприятий по техническому обслуживанию предоставляет важную информацию для текущей эксплуатации и будущих модификаций. Эта документация поддерживает соблюдение нормативных требований, облегчает устранение неполадок и позволяет принимать обоснованные решения относительно модернизации системы или продления срока службы.

Расширенные соображения дизайна

Современные объекты СПГ включают в себя передовые конструктивные особенности и технологии для повышения безопасности, эффективности и надежности.

Анализ динамики вычислительных жидкостей

Анализ динамики вычислительной жидкости (CFD) может обеспечить детальное понимание структур потока, распределения давления и теплового поведения в сложных конфигурациях трубопроводов. Этот анализ помогает оптимизировать схемы трубопроводов, выявлять потенциальные проблемные области, такие как вибрация или эрозия, вызванные потоком, и проверять, что предположения о конструкции действительны.

Анализ конечных элементов

CAESAR-II, a commercial software is used for finite element analysis of piping systems. Advanced finite element analysis enables detailed evaluation of stress distributions, support loads, and equipment nozzle loads under various operating conditions. This analysis capability allows designers to optimize piping configurations and support arrangements while ensuring compliance with code requirements.

Риск-ориентированная инспекция и управление честностью

Программы инспекции на основе рисков (RBI) отдают приоритет деятельности по инспекции и техническому обслуживанию на основе вероятности и последствий отказа. Для систем трубопроводов СПГ RBI помогает сосредоточить ресурсы на наиболее важных компонентах при сохранении общей целостности системы. Программы управления целостностью объединяют данные инспекции, историю эксплуатации и инженерный анализ для принятия обоснованных решений о продолжении эксплуатации, ремонте или замене компонентов трубопроводов.

Тематическое исследование: практическое применение принципов проектирования

Для иллюстрации применения этих принципов проектирования рассмотрим типичную линию передачи СПГ, соединяющую резервуар для хранения с блоком испарения. Эта линия работает при температуре примерно -260°F и должна обрабатывать скорости потока до 1000 м3/ч при давлениях до 10 бар.

Выбор материала

Для этого применения была выбрана нержавеющая сталь 316L на основе ее превосходных криогенных свойств, коррозионной стойкости и доступности.Материал соответствует требованиям ASME B31.3 для криогенного обслуживания без испытания на удар, при условии, что он находится в отожженном состоянии с содержанием углерода ниже 0,10%.

Размер и давление падают

Гидравлические расчеты определили, что 12-дюймовая труба номинального диаметра обеспечивает адекватную пропускную способность при сохранении падения давления ниже указанного предела. Расчет толщины стенки, основанный на расчетном давлении, допустимом напряжении и допуске коррозии, привел к минимальной требуемой толщине 8,2 мм, что привело к выбору трубы Списка 20S с номинальной толщиной 8,38 мм.

Анализ гибкости

Анализ стресса с использованием программного обеспечения CAESAR II оценивал систему трубопроводов в различных случаях нагрузки, включая устойчивые нагрузки (давление и вес), тепловое расширение от окружающей среды до рабочей температуры и случайные нагрузки (ветер и сейсмические). Анализ выявил местоположения, требующие контуров расширения для поддержания напряжений в допустимых пределах кода и определенных опорных мест и типов для управления движением трубопроводов при минимизации опорных нагрузок.

Изоляционный дизайн

Для этой критической линии передачи выбраны вакуумно-изолированные трубопроводы, позволяющие минимизировать теплоприем и поддерживать эффективность процесса. VIP-система состоит из внутренней 316L трубы из нержавеющей стали, вакуумного аннулуса с многослойной изоляцией и наружной углеродистой стальной куртки с защитным покрытием. Эта конструкция обеспечивает превосходные тепловые характеристики с минимальными требованиями к техническому обслуживанию.

Будущие тенденции и новые технологии

Индустрия СПГ продолжает развиваться, с новыми технологиями и подходами, повышающими конструкцию и работу трубопроводных систем.

Передовые материалы

Продолжаются исследования новых материалов для криогенного обслуживания, с разработками в высокопрочных нержавеющих сталях, передовых алюминиевых сплавах и композиционных материалах, предлагающих потенциальное улучшение производительности, снижение веса или стоимости. Эти материалы должны демонстрировать долгосрочную надежность и соответствовать строгим требованиям кода до широкого распространения.

Цифровая технология Twin

Технология цифровых двойников создает виртуальные копии физических трубопроводных систем, интегрируя оперативные данные в реальном времени с инженерными моделями. Эта технология позволяет прогнозировать техническое обслуживание, оптимизацию условий эксплуатации и быструю оценку предлагаемых модификаций. По мере развития сенсорной технологии и возможностей анализа данных цифровые двойники будут играть все более важную роль в управлении объектами СПГ.

Модульные строительные подходы

Модульные методы строительства, при которых трубопроводные системы изготавливаются и тестируются в контролируемых производственных средах перед транспортировкой на объект, предлагают потенциальное улучшение качества, графика и стоимости. Эти подходы требуют тщательного планирования и координации, но могут значительно сократить время строительства на местах и улучшить общее выполнение проекта.

Ключевые контрольные списки проектирования для LNG Piping Systems

Для обеспечения всестороннего рассмотрения всех критических аспектов проектировщики должны проверить следующие элементы:

Заключение

Проектирование трубопроводных систем для объектов СПГ требует всестороннего понимания криогенных свойств жидкости, строгого применения инженерных расчетов, строгого соблюдения отраслевых стандартов и тщательного внимания к выбору материалов и качеству изготовления. Экстремальные условия эксплуатации услуг СПГ требуют превосходства во всех аспектах проектирования, от первоначальной концепции до детальной разработки, изготовления, тестирования и ввода в эксплуатацию.

Дизайнеры должны придерживаться кодексов, чтобы избежать дорогостоящих сбоев и обеспечить безопасность. Успех в проектировании трубопроводов СПГ происходит из тщательного анализа, консервативных подходов к проектированию, где это уместно, практики качественного изготовления и строительства, а также комплексных программ тестирования и инспекции. Инвестиции в надлежащее проектирование и инжиниринг выплачивают дивиденды за счет безопасной и надежной работы в течение срока службы объекта.

По мере того, как глобальный спрос на СПГ продолжает расти, обусловленный его ролью в качестве более чистого топлива и его важностью в энергетической безопасности, важность надежного проектирования трубопроводов становится все более важной. Инженеры и дизайнеры, работающие в этой области, должны оставаться в курсе меняющихся кодов и стандартов, новых технологий и лучших отраслевых практик для доставки объектов, которые отвечают самым высоким стандартам безопасности, надежности и эффективности.

Для получения дополнительной информации о стандартах проектирования технологических трубопроводов посетите веб-сайт ASME Codes and Standards. Дополнительные ресурсы по криогенной инженерии можно найти через Криогенное общество Америки. Американский институт нефти предоставляет комплексные стандарты для объектов и оборудования СПГ.

Следуя принципам и практике, изложенным в этом тематическом исследовании, инженеры могут проектировать системы трубопроводов СПГ, которые безопасно и эффективно служат своей цели, удовлетворяя все нормативные требования и отраслевые стандарты.Сложность этих систем требует опыта, внимания к деталям и непоколебимой приверженности качеству - характеристикам, которые определяют превосходство в проектировании объектов СПГ.