城市天然氣高壓管道設計的若干問(wèn)題

第27卷第11期煤氣與熱力Vol 27 No 112007年11月gas heat丹識公》交燃氣輸配與儲運& xx&城市天然氣高壓管道設計的若于問(wèn)題楊羅,姚劍鋒2,吳小平1(1.中國市政工程西南設計研究院,四川成都610081;2.寧波興光煤氣集團公司浙江寧波315010)摘要:針對城市夭然氣高壓管道設計中管道材質(zhì)的選擇、管道疲勞校核以及管道彈性敷設臨界角的計算等問(wèn)題,提出了解決方法關(guān)鍵詞:天然氣高壓管道;管道材質(zhì);疲勞校核;彈性敷設中圖分類(lèi)號:TU996文獻標識碼;A文章編號:1000-4416(2007)11-0001-04Some Problems about Design of Urban Natural Gas High-pressurePipelineYANG Luo, YAO Jian-feng, WU Xiao-ping(1. Southwest Municipal Engineering Design and Research Institute of China, Chengdu610081, China; 2. Ningbo Xingguang Gas Group Company, Ningbo 315010, ChinaAbstract: Aimed at the selection of pipeline materials in design of urban natural gas high-pressurepipeline, the pipeline fatigue check, the calculation of critical angle of pipeline elastic installation andother problems, the solutions are put forwardKey words: natural gas high-pressure pipeline; pipeline material; fatigue check; elastic in-stallation管道材質(zhì)的選擇管指標恰如其分的技術(shù)要求,絕不是管材的指標越隨著(zhù)國家西氣東輸等大型天然氣工程的建設,高越好,要考慮管道敷沒(méi)現場(chǎng)的具體條件,要考虐性我國已經(jīng)能夠成熟地生產(chǎn)X52-X70的高強度合金價(jià)比。從實(shí)際工程來(lái)看并不是所有工程都實(shí)現了鋼X80-X100等級的管道鋼也處于研制階段,這采用高鋼級降低管道造價(jià)的初衷相反部分設計采為高壓力大管徑輸氣管材的制造提供了有力的保用較高鋼級的管道在技術(shù)上并沒(méi)有做到最佳選擇。首先,從管道技術(shù)方面來(lái)看理論上使用高鋼級管材可以減小管道的壁厚,①隨著(zhù)管道鋼級的提高,管材韌性尤其是管從而降低管道的造價(jià),但在部分高壓管道設計中存材沖擊韌性并沒(méi)有相應提高使得高強度管道發(fā)生在不結合具體情況一味地追求高鋼級管材的問(wèn)題。延性斷裂的概率增加;隨著(zhù)管道鋼級的提高管道壁例如,某些城市高壓管道設計壓力為4.0MPa,公稱(chēng)厚隨之減小,管道剛度下降。直徑為300mm,已經(jīng)用到了X65鋼級的管材,這是②從施工條件來(lái)看鋼級越高的管道焊接所不合適的。需的中國煤化工向焊接工藝規對于城市高壓管道材質(zhì)應有較嚴格的技術(shù)條程》(SCNMH級的鋼管在環(huán)件,在確保工藝與管道安全運行的前提下提出對鋼境溫度高于5℃時(shí),可不預熱,直接進(jìn)行現場(chǎng)焊接;第27卷第11期煤氣與熱力www.watergasheat.com而X60鋼級的鋼管在0℃以上的任何環(huán)境中施工的日的,是規范認可的做法。與采用X60高鈉級鋼時(shí),焊前必須預熱到100~150℃管相比,采用X52低鋼級綱管加大了管道壁厚,合③規范《輸油(氣)埋地鋼質(zhì)管道抗震設計規理減小了管道與建筑物的安全間距,減少了土地賠范》(SY/T0450-2004)規定12,為提高管道的抗震償費400×104元,在綜合費用比較上減少了265能力,需采用延性良好的管材及增加管道壁厚。在x10元的工程總造價(jià),所以本工程選擇X52低鋼有抗震要求(特別是7度及以上地震烈度活動(dòng)斷級鋼管更具優(yōu)勢。即使不存在類(lèi)似上述工程的土地層帶滑坡地段、沙土液化區)的地區,采用較低鋼賠償費用,通過(guò)采用低鋼級的厚壁管合理減小與建級的管道比采用高鋼級的管道具有更強的抗震能筑物的安全問(wèn)距減少工程中建筑物的拆遷量,往往力也能大大節約工程造價(jià)和保證工程進(jìn)度。其次,結合工稈實(shí)例從工程經(jīng)濟方面來(lái)看表1不同鋼級高壓管道建設造價(jià)計算①某燃氣電廠(chǎng)高壓專(zhuān)線(xiàn)管道工程,設計壓力Tab. 1 Calculation of construction cost of high-pressure為4.0MPa,管道外徑為355.6mm,敷設地區為三pipeline with different steel grades級地區(考慮具體情況,強度設計系數取0.40),設計長(cháng)度為76km。根據《輸氣管道工程設計規范》鋼/管道外徑隔壓管語(yǔ)賠償|合計壁厚管材費用與速筑物(GB50251-2003)提供的管道壁厚計算公式計飯\/nm算,X52級管道計算壁厚為494m,X鋼級260050×049049×06519×管道計算壁厚為4.28mm。為了保證高壓管道具有X60875934×10「17.0850×10674x1定的剛度,防止管道在正常的運輸敷設、理管的綜合以上分析,可以看出管道材質(zhì)的選擇不僅情況下出現圓截面的失穩,《輸氣管道工程設計規和管道的管徑設計壓力及設計系數有關(guān),而且還和范》(GB50251-20)定了不同管徑的最小管道管道具體敷設的環(huán)境以及工程所具備的施工條件有壁厚,公稱(chēng)直徑為350m的管道最小壁厚為5密切的聯(lián)系,在確定管道材質(zhì)時(shí)不能一味地追求高mm,在該條款規定下,依據計算管道壁厚并結合管指標要具體工程具體分析綜合各種因素比較、分道壁厚規格,確定X52和X60鋼級管道的選取壁厚析后做出選擇。均為52mm2管道疲勞校核該工程高壓管道在最小壁厚的規定下采用高21管道疲勞的概念鋼級的管材不能減小管道壁厚,由于鋼管管材指標管道疲勞或疲勞破壞是指管道母材及管道焊縫的提高造成了管道材料費的增加在循環(huán)應力多次反復作用下裂紋生成擴展導致管②某城市高壓環(huán)網(wǎng)管道設計壓力為4.0道斷裂破壞的現象。疲勞強度是指管道發(fā)生疲勞或MPa,管道外徑為660mm,敷設地區為三級地區(強疲勞破壞時(shí)的最大應力,一般用疲勞持久極限來(lái)衡度設計系數取040),設計長(cháng)度為50km。當地政府量,即管道在循環(huán)應力作用下,經(jīng)過(guò)無(wú)數次(通常規要求建設單位對高壓管道與建筑物的安全距離內的定大于100×10次)的應力循環(huán)也不會(huì )導致疲勞破土地進(jìn)行5元/m2的補償。X52管材按8000元/t,壞的最大應力X60管材按8500元/t計算,不問(wèn)鋼級高壓管道建由于城市高壓管道進(jìn)行儲氣調峰的優(yōu)越性,絕設造價(jià)計算見(jiàn)表1。大多數城市的高壓管道不僅承擔著(zhù)輸氣功能還承擔雖然采用X52低鋼級鋼管壁厚增大了0.8mm,著(zhù)儲氣調峰的功能。集輸儲功能于一體的高壓管道增加了鋼材消耗量,在管材費用上比X60高鋼級鋼由于管道內氣體壓力周期性變化,管道所受應力也管多出135×10元,但由于高壓管道與建筑物之間周期性變化,因此在設計過(guò)程中進(jìn)行管道的疲勞校需要一定的安全問(wèn)距,安全間距的大小直接決定了核十分必要。土地賠償費用。根據《城鎮燃氣設計規范》(CB2.250082006)中6.4,116.4.12的條文解釋,可中國煤化工的范圍稱(chēng)為應力以看出通過(guò)增加管道的壁厚降低管道的應力水平,幅。CNMH甚本可以看成上下以強度確保管道自身安全,從而達到減小安全間距限一定的周期性等幅變化,應力幅按常幅考慮即高www.watergasheat.com楊羅,等:城市天然氣高壓管道設計的若干問(wèn)題第27卷第11期壓管道內所有應力循環(huán)的應力幅保持常量?！朵摻Y《輸氣管道工程設計規范》(GB50251-2003)構設計規范》(GB50017-2003)規定,對于應力規定,當量應力為環(huán)向應力與軸向應力之差,軸幅為常幅的疲勞校核應采用容許應力法。向應力為溫差應力和泊松效應引起的組合應力對于常幅疲勞按以下公式進(jìn)行校核環(huán)向應力:△;≤AoΔ2≤Δσ(2)軸向應力Ao2=0ou-0 7o mis0, =Ea (t,-t,)+uo當量應力:G=Uh-礦(8)式中Mo1—焊接部位應力幅,MPa式中a——環(huán)向應力,MPa△a—常幅疲勞的容許應力幅,MPaP—管道設計壓力,MPa△o2——非焊接部位應力幅,MPad—管道內徑,mm-計算部位每次循環(huán)應力最大拉應力6—管道公稱(chēng)壁厚,mm(取正值),MPaa,—軸向應力MPaam—計算部位每次循環(huán)應力最小拉應力或壓應力(拉應力取正值,壓應力取E—彈性模量,取2.0×105MPa負值),MPaa:鋼材的線(xiàn)膨脹系數取12×103K1m—應力循環(huán)次數t:——管道安裝溫度,取30℃CB—系數t2-輸送介質(zhì)的溫度,取0℃C及β值可根據疲勞計算的構件和連接分類(lèi)按從—泊松比,取03文獻[5]選取σ—當量應力,MPa2.3工程實(shí)例分析在最大壓力為40MPa和最小壓力為0.6MPa①已知條件時(shí)根據式(6)~(8),管道的當量應力計算結果見(jiàn)某城市高壓管道總長(cháng)度為624km,管道外徑表2。為508mm,管道的設計壓力為40MPa,利用高壓表2管道當量應力計算結果管道儲氣調峰,壓力下限設定值為0.6MPa,管道每Tab 2 Caleulated results of pipeline equivalent stress天調峰1次調峰的壓力在管道設計壓力與管道壓壓力管道外壁厚/環(huán)向應力軸向應力當量應力力下限設定值之間波動(dòng),而且每天調峰的壓力波動(dòng)徑/n幅值認為是相同的。根據以上條件認為管道應力疲105,8勞是常幅疲勞,可以利用常幅疲勞計算公式進(jìn)行疲16.9勞校核。根據式(3)計算焊縫處應力幅△1為:②容許應力幅Ao, =7.0 MPa-(-60 2 MPa)=67.2 MPa管道設計壽命為30年,則設計壽命內應力循環(huán)由式(4)計算非焊接部位應力幅△2為次數m為△o2=7.0MPa-(-60.2MPa)x0.7=49.1m=30×365=10950對于鋼質(zhì)管道根據疲勞計算的構件和連接分高壓管道焊縫處最大實(shí)際應力幅Mσ1為672類(lèi),在GB50017-2003《鋼結構設計規范》附錄EMPa,非焊接部位最大實(shí)際應力幅△a2為49.選擇類(lèi)別21,得C=861×102,B=4,則容許應力MPa在整個(gè)管道壽命期內,容許應力幅Δo為幅根據式(5)計算得:529Ⅵ凵中國煤化工壓管道能滿(mǎn)足疲529.5MPa勞條CNMHG計壽命內不會(huì )發(fā)實(shí)際應力幅生疲勞破壞。第27卷第11期煤氣與熱力www.watergasheat.com3管道彈性敷設臨界角的計算在敷設高壓管道過(guò)程中,改變管道走向或管道+(-1)12)7+…埋深時(shí),若現場(chǎng)條件允許,應優(yōu)先采用彈性敷設,因(11)為管道彈性敷設受氣溫影響很小,有利于管道抗震對式(11)右端取前2項結合式(9)、(10),可能力的提高及管道的平穩運行減少彎管(頭)的用以得到彈性敷設的臨界角單位為(°)]:量,加快施工進(jìn)度并且節約大量建設資金。(12)根據GB50251-2003《輸氣管道工程設計規范》的規定3,管道采用彈性敷設需同時(shí)滿(mǎn)足以下式(12)的計算精度完全可以滿(mǎn)足工程設計的兩個(gè)條件:需要,計算實(shí)例見(jiàn)表3。R≥10D(9)表3彈性敷設臨界角簡(jiǎn)化公式計算結果Tab 3 Calculated results of simplified formula for criticalR≥36001-c062(10)angle of pipeline elastie installation式中R——管道的曲率半徑,m管道規格/mm臨界角a-/()「曲率半徑R/m05080x10.3508.17D—管道外徑,cm0323.9x7,9a—管道的轉角,(°)式(9)是為了滿(mǎn)足管道強度的要求作出的規定,式(10)是假設支撐條件為介于兩端簡(jiǎn)支和嵌固參考文獻:之間的中間狀態(tài)撓度系數取簡(jiǎn)支梁和兩端嵌固梁[1]sYr4071-93,管道下向焊接工藝規程[s撓度系數的平均值,是為了滿(mǎn)足垂直面上彈性[2]sYT0450200,輸油(氣)埋地鋼質(zhì)管道抗震設計規范[S]設的管道曲率半徑大于管道在自重作用下產(chǎn)生的撓[3]GB50251—2003,輸氣管道工程設計規范[S]度曲線(xiàn)的曲率半徑。[4]GB508-2006,城鎮燃氣設計規范[S在管道設計過(guò)程中設計人員關(guān)心的是在滿(mǎn)足式[51cB5017-200,結構設計規范[s](9)、(10)條件下的a值并依據管道轉角a的臨界[6張箭嘯理地管道彈性敷設豎向轉角臨界值的計算值來(lái)確定管道改變走向或管道埋深時(shí)是否適合采用[J].油氣儲運,2002,21(8):15-17彈性敷設。由于式(10)是a的隱函數方程,求解較為困難部分高壓管道設計就不論管道管徑大小,將作者簡(jiǎn)介楊羅(1981-),男,四川樂(lè )山人,助彈性敷設的臨界角a保守地規定為某一較小的值理工程師,學(xué)士,從事城市燃氣工程的咨(通常是3°)。詢(xún)與設計工作。其實(shí)式(10)可以通過(guò)高等數學(xué)方法進(jìn)行求解,電話(huà):(021)51293828得出滿(mǎn)足工程設計精度要求的簡(jiǎn)化公式。將cosaE-mail:yangluoengineer@163.com展開(kāi)(a的單位為rad):收稿日期:2006-11-20;修回日期:2007-01-11·工程信息天津市津南區葛沾鎮天然氣工程簡(jiǎn)介建設規模:用氣量為1.2×104m3/d工程內容:3座中一低壓調壓站、中壓管網(wǎng)(DN200~400mm)及庭院管網(wǎng)(DN80m)。中國煤化工CNMHG利通訊員供稿)