在进行管道流程研究时,重要的一项任务是针对各种运行情况和环境条件进行管道的热效应研究。然而,承担这项工作的大多数年轻工程师几乎都不了解热分析的实际工作。事实上,许多年轻的工程师甚至不知道需要进行管道的热分析工作来了解管道输送流体介质过程中可能发生的问题。

首先,让我列举如下长输管道中与热效应有关的问题:

1、对于气体管道,气体在管道中的摩擦压降可导致管道中的焦耳 – 汤姆逊冷却,这是一个等焓过程。当管道的长度超过某一数值后,管道内流动气体的温度会降低至低于其水合物形成温度,这会导致管道中有冰晶形成,最终会由于管道的部分或全部被堵塞而导致输送中断。在最糟糕的情况下,可能导致管道破裂,造成财产损失和人员伤亡。高压与低温管道,例如深海海底管线,有利于水合物的形成。为了确定是否会发生这种情况,以及需要采取哪些缓解措施,热分析必不可缺。

2、在紧急情况或日常维护操作过程中,气体管道减压操作是减压工况下热分析研究需要注意的另一个问题。绝热减压会导致减压源、减压装置(阀门或孔板)下游产生一个极低的温度。普通碳钢在非常低的温度下可能遭受灾难性的脆性断裂,危及管道安全。通常用于钢管制造的商业碳钢等级,如ASTM A 106和ASTM A 53,不适用于低于-29℃的温度情况。在工艺过程中,管道需要基于材料的“最低设计金属温度” 进行归类,简称为MDMT。碳钢中的ASTM A333 Gr.1和Gr.6适用不低于-45℃的低温,并需要针对该温度进行冲击测试。
        减压过程的热分析可以提供管道预判的最低温度,从而定义管材的MDMT。例如,如果减压热分析表明管道的温度可能低于-29℃,材料专家最有可能建议采用“低温碳钢”简称为LTCS,并进行“夏比缺口冲击试验”以确定材料在低温下的脆性。如果减压热分析表明管道温度低于-46℃,高于-80℃,进一步降低管材的MDMT,那么材料专家可能进一步将材料升级为双相不锈钢(DSS)。不管是正常操作期间,抑或是维修期间导致管道出现的冷冻温度,此时需要选用奥氏体不锈钢。同样,这个温度可以通过系统的热分析确定。

3、输送原油的管道,特别是输送高粘度和高沥青质含量的管道需要进行热分析,以确定管道温度是否会低于倾点。由于管道温度低于倾点造成的管道堵塞可能导致生产中断,昂贵的清洗费用,拆除作业以及巨大的经济损失。采用热分析确定了管道的最低温度之后,可以采取补救措施,防止上述情况发生。

4、液化石油气(丙烷和丙烷及丁烷的混合物)的管道输送是管道热力研究方面需要特别注意的另一个领域。暴露于较高环境温度的地上敷设的LPG管道或局部地上敷设的LPG管道需要进行详细的热研究,以确保在工作压力下LPG不会在管道中气化,(如果发生气化的话)可能导致管道内发生气体阻塞和两相流。在管道的目的地端,如果有流量或压力控制阀的话,由于LPG沿着管道温度升高,在控制阀的入口部位,由于部分的LPG气化导致产生两相流,从阀门的完整性方面考虑,(此两相流)对于控制阀的运行非常有害。简而言之,在LPG管道中是不允许产生两相流的,通过热分析可以从源头上确定这样的现象是否会发生。
        然而,当对暴露于大气环境的地上敷设的管道进行热分析时,实际的环境条件是必须输入的条件。为了正确处理这一点,一个好的设计师会综合考虑环境温度的平均高值与低值以及持续时间内的平均高值或低值风速(如夏季/冬季或1年的平均情况),而不是选择百年一遇的高温或低温以及不可能再次发生的风速。粗略的说,极端天气状况下的环境温度和风速不应该用于暴露于大气的管道的热分析。采用这样极端的环境条件会造成巨大的经济成本,对于正常的管道运行是不合理的。实际上,在环境条件异常时,会命令停止或者减压管道的运行。

5、有许多管道和工艺模拟软件可以进行管道的热分析。PIPESIM,PIPEPHASE,PIPELINE STUDIO,AFT,OLGA等专门用于管道模拟的软件是进行管道热研究的最佳选择。但是Aspen HYSYS,UniSim,Aspen Plus等一般工艺模拟软件也能够进行管道热分析,只不过这些软件有一定的局限性。 Aspen HYSYS有一个非常好的“减压”工具模块,可以提供任何设备或管道被减压的热剖面。使用此类模拟软件的关键在于,使用者要完全了解热分析所需要的内容,并提供正确的数值输入,包括检查软件用于特定研究的默认值的准确性,必要情况下更改这些默认值以适应计算的具体案例研究等。简而言之,要以一个工艺或者化工工程师的视角来应用此类软件,而不要仅仅是一个数据录入员。

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