本发明涉及一种长直集输管道热位移综合控制系统及方法。
背景技术
近年来，随着油气集输系统趋于高温、高压发展，钢制管道应力水平不断提高，必须采取相应措施进行管道应力控制。部分油气田所在场地地势平坦，管道路由平直，具有良好的敷设条件。然而，平直管道在埋地敷设时一般呈现“半锚固-锚固-半锚固”特征，管道两端在一定长度范围内具有活动能力，其变形程度受安装温度、操作温度和管材热膨胀性能影响，称之为“活动段”；管道中间部分受土壤约束，呈现虚拟锚固状态，其应变量接近于零，称之为“锚固段”。活动段变形将积聚作用在管道弯头处，并可能对弯头、附近管系或站场设施产生影响。应采取合适的应力和变形控制手段，防止弯头、管系应力水平超标，同时保证相关管件或设备位移量处于可接受范围。尤其对于长直集输管道，其两端活动量远超过常规连续起伏或水平转向的管道，若直接连接站内设施，可能引起严重的设备位移、弯管变形和管件弯矩，对站场设备稳定性和管件强度安全造成较大的威胁。因此，选择合理、经济的长直集输管道应力控制手段至关重要。
目前，长直集输管道控制两端热位移和连接弯头应力水平的方式主要分为两类。第一，在进出站位置设置π型弯，通过π型弯形变吸收站外长直管道热位移，通过π型弯吸收各段的有限位移量，减小长直管端两端施加于站场设备和进出站弯管的热位移和应力；第二，设施锚固墩以将长直管道与管道两端的线路弯管或站场设施进行隔离，使长直管道全线处于锚固状态。上述两种方法，各自存在一定使用限制。采用π型弯时，需要考虑线路路由可用范围，若占地合适的π型弯(例如线路路由带有限)无法承受此位移负荷，则需考虑在长直管道沿线设置多个π型弯，分段进行热位移吸收，因此安装密度较大，若采用单个π型弯进行长直管道活动段的热位移吸收，则π型弯臂长较大，且直接于管道连接的那一处弯管应力水平选高于下游管件，过于集中；在管道两端设置锚固墩时，锚固墩尺寸随管道轴向推力升高而增大，而集输管道往往设计压力较高、运行-安装温差较大、壁厚较大，因此轴向推力大，引起锚固墩重量巨大，对基础要求较高，投资极大，同时还存在一定的沉降风险，并由此对站内设施造成下拉隐患。
技术实现要素：
为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种长直集输管道热位移综合控制系统及方法。
本发明所采用的技术方案是：一种长直集输管道热位移综合控制系统，包括半锚固系统、热膨胀吸收系统和分布式应变检测系统；其中，所述半锚固系统包括单级或多级小型锚固墩，所述锚固墩包括混凝土结构设置在混凝土结构上的锚固法兰；所述热膨胀吸收系统包括多种角度大曲率半径弯管和连接直管焊接形成的管道系统；所述分布式应变检测系统包括安装于半锚固系统和热膨胀吸收系统上的应变片及与应变片连接的数据处理系统；所述热膨胀吸收系统的一侧连接站内管道，另一侧连接半锚固系统；所述半锚固系统的另一侧连接站外管道，连接方式均为焊接。
本发明还提供了一种长直集输管道热位移综合控制方法，包括如下步骤：
步骤一、对新建的长直集输管道，根据介质入口操作温度、输量、操作压力和环境参数，计算介质出口温度，绘制介质温度的沿程分布曲线；结合管道管径、壁厚、材质等信息，计算管道虚拟锚固长度和管道锚固推力，分别获得管道的半自由伸缩状态下的管端热膨胀量和锚固状态下管端推力；
步骤二、根据步骤一所计算的管端热膨胀量，计算通过单一π型弯能否有效吸收所述热膨胀量；若否，则进入步骤三。
步骤三、根据步骤一所计算的管端推力，设计锚固墩尺寸，使得锚固墩承担所计算的50％～70％管端推力，剩余推力折算为管道热膨胀量后，采用多级弯管系统吸收，多级弯管系统为沿推力方向设置的45°、60°和90°大曲率半径弯管；同时考虑释放锚固墩刚度，减小其刚度系数，相对增加一部分管道位移；
步骤四、建立步骤三所述的模型，验证锚固墩、多级弯管系统设计尺寸；
步骤五、安装时，先安装本体，其中锚固墩系统与弯管系统分布就位后连头，弯管系统的管沟内回填松软材料；由锚固墩系统与弯管系统构成的长直集输管道热位移综合控制系统距离站内管道距离大于15m，与站内管道碰口位置距离站内管道大于7m，与站外管道碰口点距离应大于15m；
步骤六、安装就位后，在弯管各处和部分直管上安装应力检测装置，连通检测系统。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明基于长直集输管道热位移和热应力产生根源，综合刚性控制和柔性吸收结合的方案，在进出站埋地管道上依次设置刚度有限的锚固墩(吸收部分热应力)和连续多角度弯管(吸收部分热位移)，从而避免采用长直管道进出站位置设置单一π型弯、沿途设置多处附加π型弯或管道进出站位置设置体积庞大的锚固墩等方案。本发明的方案占地适中、荷载分散、功能完全，达到了保证站场设置和进出站管道、设备安全的效果。具体表现为：
(1)设置科学
本发明采用连续多角度、大曲率半径弯管管路与限制刚度锚固墩联合的方式，可有效解决3类问题：1.长直集输管道沿途设置π型弯以减小区间管道热位移，但π型弯数量较多；2.在管道进出站位置设置占地巨大的单一π型弯，可能引起π型弯末端弯管应力集中，形变较大；3.因设置完全吸收管道热应力的大型锚固墩引起的锚固墩体积过大及锚固墩沉降问题。同时，采用弯管管路与限制刚度锚固墩联合设置的方式，又可在极端情况下通过弯管管路临时承受锚固墩沉降引起的管道拉伸。
(2)应用灵活
本发明将常规的长直管道末端应力-应变控制方案优化为半锚固-半活动模式，可根据具体工况确定设置连续锚固墩的数量，同时也可根据具体工况确定热膨胀吸收系统的弯管组合形式与数量。
(3)布置合适
本发明能够有效控制锚固墩和弯管组合的横向尺寸，为油气田站场附近、多管路并行布置提供便利。
(4)抗沉降能力佳
本发明根据过往经验，将单一整体锚固墩划分为多处连续锚固墩，将锚固墩尺寸进行优化，在简化地基处理的前提下，进一步提高个体和整体的抗沉降能力。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明的一种长直集输管道热位移综合控制系统示意图。
具体实施方式
一种长直集输管道热位移综合控制系统，如图1所示，包括：站内干线管道1、90°π型弯2、60°过渡弯头3、60°过渡弯头4、45°组合弯头5、锚固法兰6、锚固墩7、站外干线8、分布式应变检测系统9等。
其中，站内干线管道1、90°π型弯2、60°过渡弯头3、60°过渡弯头4、45°组合弯头5组成热膨胀吸收系统，主要通过弯管的变形，吸收站外干线管道通过多级锚固系统后传来的热位移，尽可能将干线管道引起管端热位移与站内设施隔离；锚固法兰6、锚固墩7、站外干线8可组成若干连续锚固墩，主要通过锚固墩与土壤的相互作用，一定程度上抑制站外干线的热位移，同时赋予锚固墩一定柔性，传递一部分热位移至热膨胀吸收系统，避免锚固墩尺寸过于巨大。
其中，站内干线管道1连接站内设施和本系统；90°π型弯2为“一短臂两长臂”特殊形状，短臂长度大于5m，弯管曲率半径大于5d(d为管道外径)，以保证干线管道中心与站外管道一致，立面标高一致，为最主要的热位移吸收装置；60°过渡弯头3和60°过渡弯头4组成平行的管道，弯管曲率半径大于5d(d为管道外径)，为次要的热位移吸收装置；45°组合弯头5包括直管和两处45°弯管，弯管曲率半径大于5d(d为管道外径)，主要起到初步吸收小部分热位移和传递大部分热位移的作用。
其中，分布式应变检测系统包括设置于多级半锚固系统和热膨胀吸收系统上的应变片及数据处理分析系统；所述数据处理分析系统根据测量应变数据，结合并对比计算软件模拟结果，进行应力水平评估及报警。所述应变片为安装在管道表面不同位置的0°、45°和90°一组的应变花9。
所述多级半锚固系统包括设置于进出站管道上，埋地敷设，靠近长直管道一侧的多个刚度较低的“锚固墩”；所述锚固墩为钢制锚固法兰与混凝土墩构成，钢制锚固法兰材质满足介质要求；所述锚固墩刚度不宜过大，锚固墩系统的总应力吸收量为50％～70％，其余通过其应变释放并传递至所连接的热膨胀吸收系统；所述锚固墩为长条形结构，以提高稳定性和抗沉降性，其数量(级数)可以为1个或多个，根据安装条件和应力分析确定，多个锚固墩的外边间距为5m，以提高整体稳定性。
所述热膨胀吸收系统包括设置于进出站管道上，埋地敷设，介于站内管道和多级半锚固系统间的多级弯管和直管；所述弯管为曲率半径大于5d(d为管道外径)的钢制弯管，其材质与干线管道一致；所述直管材质与干线管道一致；所述弯管的角度由热膨胀来源方向向站内方向逐渐增大，典型值为45°、60°和90°，以逐步在有限的横向空间(干线两侧范围)内吸收管道热膨胀；所述热膨胀吸收系统的总应变吸收量为30％～50％；所述弯管间直管间距应大于5m。
本发明的技术原理为：
在管道运行过程中，由于运行温度超过安装温度，因此埋地长直管道趋于向两侧热膨胀，热膨胀主要集中于其虚拟锚固段的两侧。锚固墩在管道末端起到了通过与土体作用，提供热膨胀应力的阻力。为避免锚固墩的尺寸过大，因此设定多个锚固墩形成的连续锚固墩体所提供的合力不必完全克服管道热应力所引起的推力，消耗50％～70％热应力，在应力控制与锚固墩稳定中形成平衡。所剩余热位移通过连续的柔性系统吸收，首先通过45°大曲率半径弯管进行小部分吸收，再采用60°弯管组合继续吸收，最后采用90°π型弯(一短臂两长臂)进行充分吸收，保证进入站内的热位移在可接受范围内或尽量得到消除。本方案既可减小锚固墩完全吸收干线应力而引起的锚固墩过大问题，也避免单独采用π型弯吸收干线热位移而引起π型弯占地过大、应力集中的缺陷，还能通过热膨胀吸收管路进一步提高锚固墩意外沉降时的管道长度补偿。
本发明还提出了一种长直集输管道热位移综合控制方法，主要包括以下步骤：
步骤一：对新建的长直集输管道，根据介质入口操作温度、输量、操作压力和环境参数等情况，计算介质出口温度，绘制介质温度的沿程分布曲线；结合管道管径、壁厚、材质等信息，计算管道虚拟锚固长度和管道锚固推力，分别获得管道的半自由伸缩状态下的管端热膨胀量和锚固状态下管端推力。
步骤二：根据步骤一所计算的管端热膨胀量，计算通过单一π型弯能否有效吸收所述热膨胀量，若因π型弯尺寸过大、占地限制等问题无法实施，则进入步骤三。
步骤三：根据步骤一所计算的管端推力，设计锚固墩尺寸，锚固墩承担所计算的50％～70％管端推力，剩余推力折算为管道热膨胀量后，采用多级弯管系统吸收，多级弯管系统为沿推力方向设置的45°、60°和90°大曲率半径弯管；同时考虑释放锚固墩刚度，减小其刚度系数，相对增加一部分管道位移。
步骤四：根据成熟的商业软件，建立步骤三所述的模型，验证锚固墩、多级弯管系统设计尺寸。
步骤五：安装所述系统时，所述长直集输管道热位移综合控制系统本体优先安装，其中锚固墩系统与弯管系统分布就位后连头，弯管系统的管沟内回填松软材料，有效提高弯管系统形变能力；所述长直集输管道热位移综合控制系统距离站内管道距离应大于15m，与站内管道碰口位置距离站内管道大于7m，减缓组对时的残余应力对站内系统和本系统的影响；所述长直集输管道热位移综合控制系统与站外管道碰口点距离应大于15m。
步骤六：安装就位后，在弯管各处和部分直管上安装应力检测装置，连通检测系统。