第27卷第11期煤氣與熱力Vol 27 No 112007年11月gas heat丹識(shí)公》交燃?xì)廨斉渑c儲(chǔ)運(yùn)& xx&城市天然氣高壓管道設(shè)計(jì)的若于問題楊羅,姚劍鋒2,吳小平1(1.中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究院,四川成都610081;2.寧波興光煤氣集團(tuán)公司浙江寧波315010)摘要:針對(duì)城市夭然氣高壓管道設(shè)計(jì)中管道材質(zhì)的選擇、管道疲勞校核以及管道彈性敷設(shè)臨界角的計(jì)算等問題,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(shè)中圖分類號(hào):TU996文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼;A文章編號(hào):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(biāo)恰如其分的技術(shù)要求,絕不是管材的指標(biāo)越隨著國(guó)家西氣東輸?shù)却笮吞烊粴夤こ痰慕ㄔO(shè),高越好,要考慮管道敷沒現(xiàn)場(chǎng)的具體條件,要考虐性我國(guó)已經(jīng)能夠成熟地生產(chǎn)X52-X70的高強(qiáng)度合金價(jià)比。從實(shí)際工程來看并不是所有工程都實(shí)現(xiàn)了鋼X80-X100等級(jí)的管道鋼也處于研制階段,這采用高鋼級(jí)降低管道造價(jià)的初衷相反部分設(shè)計(jì)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(jí)的管道在技術(shù)上并沒有做到最佳選擇。首先,從管道技術(shù)方面來看理論上使用高鋼級(jí)管材可以減小管道的壁厚,①隨著管道鋼級(jí)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(shè)計(jì)中存材沖擊韌性并沒有相應(yīng)提高使得高強(qiáng)度管道發(fā)生在不結(jié)合具體情況一味地追求高鋼級(jí)管材的問題。延性斷裂的概率增加;隨著管道鋼級(jí)的提高管道壁例如,某些城市高壓管道設(shè)計(jì)壓力為4.0MPa,公稱厚隨之減小,管道剛度下降。直徑為300mm,已經(jīng)用到了X65鋼級(jí)的管材,這是②從施工條件來看鋼級(jí)越高的管道焊接所不合適的。需的中國(guó)煤化工向焊接工藝規(guī)對(duì)于城市高壓管道材質(zhì)應(yīng)有較嚴(yán)格的技術(shù)條程》(SCNMH級(jí)的鋼管在環(huán)件,在確保工藝與管道安全運(yùn)行的前提下提出對(duì)鋼境溫度高于5℃時(shí),可不預(yù)熱,直接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接;第27卷第11期煤氣與熱力www.watergasheat.com而X60鋼級(jí)的鋼管在0℃以上的任何環(huán)境中施工的日的,是規(guī)范認(rèn)可的做法。與采用X60高鈉級(jí)鋼時(shí),焊前必須預(yù)熱到100~150℃管相比,采用X52低鋼級(jí)綱管加大了管道壁厚,合③規(guī)范《輸油(氣)埋地鋼質(zhì)管道抗震設(shè)計(jì)規(guī)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(guī)定12,為提高管道的抗震償費(fèi)400×104元,在綜合費(fèi)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(jí)鋼管更具優(yōu)勢(shì)。即使不存在類似上述工程的土地層帶滑坡地段、沙土液化區(qū))的地區(qū),采用較低鋼賠償費(fèi)用,通過采用低鋼級(jí)的厚壁管合理減小與建級(jí)的管道比采用高鋼級(jí)的管道具有更強(qiáng)的抗震能筑物的安全問距減少工程中建筑物的拆遷量,往往力也能大大節(jié)約工程造價(jià)和保證工程進(jìn)度。其次,結(jié)合工稈實(shí)例從工程經(jīng)濟(jì)方面來看表1不同鋼級(jí)高壓管道建設(shè)造價(jià)計(jì)算①某燃?xì)怆姀S高壓專線管道工程,設(shè)計(jì)壓力Tab. 1 Calculation of construction cost of high-pressure為4.0MPa,管道外徑為355.6mm,敷設(shè)地區(qū)為三pipeline with different steel grades級(jí)地區(qū)(考慮具體情況,強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)取0.40),設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為76km。根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》鋼/管道外徑隔壓管語(yǔ)賠償|合計(jì)壁厚管材費(fèi)用與速筑物(GB50251-2003)提供的管道壁厚計(jì)算公式計(jì)飯\/nm算,X52級(jí)管道計(jì)算壁厚為494m,X鋼級(jí)260050×049049×06519×管道計(jì)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(yùn)輸敷設(shè)、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(xiàn)圓截面的失穩(wěn),《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)和管道的管徑設(shè)計(jì)壓力及設(shè)計(jì)系數(shù)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(shè)的環(huán)境以及工程所具備的施工條件有壁厚,公稱直徑為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(guī)定下,依據(jù)計(jì)算管道壁厚并結(jié)合管指標(biāo)要具體工程具體分析綜合各種因素比較、分道壁厚規(guī)格,確定X52和X60鋼級(jí)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(guī)定下采用高21管道疲勞的概念鋼級(jí)的管材不能減小管道壁厚,由于鋼管管材指標(biāo)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(fèi)的增加在循環(huán)應(yīng)力多次反復(fù)作用下裂紋生成擴(kuò)展導(dǎo)致管②某城市高壓環(huán)網(wǎng)管道設(shè)計(jì)壓力為4.0道斷裂破壞的現(xiàn)象。疲勞強(qiáng)度是指管道發(fā)生疲勞或MPa,管道外徑為660mm,敷設(shè)地區(qū)為三級(jí)地區(qū)(強(qiáng)疲勞破壞時(shí)的最大應(yīng)力,一般用疲勞持久極限來衡度設(shè)計(jì)系數(shù)取040),設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為50km。當(dāng)?shù)卣?即管道在循環(huán)應(yīng)力作用下,經(jīng)過無數(shù)次(通常規(guī)要求建設(shè)單位對(duì)高壓管道與建筑物的安全距離內(nèi)的定大于100×10次)的應(yīng)力循環(huán)也不會(huì)導(dǎo)致疲勞破土地進(jìn)行5元/m2的補(bǔ)償。X52管材按8000元/t,壞的最大應(yīng)力X60管材按8500元/t計(jì)算,不問鋼級(jí)高壓管道建由于城市高壓管道進(jìn)行儲(chǔ)氣調(diào)峰的優(yōu)越性,絕設(shè)造價(jià)計(jì)算見表1。大多數(shù)城市的高壓管道不僅承擔(dān)著輸氣功能還承擔(dān)雖然采用X52低鋼級(jí)鋼管壁厚增大了0.8mm,著儲(chǔ)氣調(diào)峰的功能。集輸儲(chǔ)功能于一體的高壓管道增加了鋼材消耗量,在管材費(fèi)用上比X60高鋼級(jí)鋼由于管道內(nèi)氣體壓力周期性變化,管道所受應(yīng)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(shè)計(jì)過程中進(jìn)行管道的疲勞校需要一定的安全問距,安全間距的大小直接決定了核十分必要。土地賠償費(fèi)用。根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(CB2.250082006)中6.4,116.4.12的條文解釋,可中國(guó)煤化工的范圍稱為應(yīng)力以看出通過增加管道的壁厚降低管道的應(yīng)力水平,幅。CNMH甚本可以看成上下以強(qiáng)度確保管道自身安全,從而達(dá)到減小安全間距限一定的周期性等幅變化,應(yīng)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(shè)計(jì)的若干問題第27卷第11期壓管道內(nèi)所有應(yīng)力循環(huán)的應(yīng)力幅保持常量。《鋼結(jié)《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50251-2003)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)規(guī)定,對(duì)于應(yīng)力規(guī)定,當(dāng)量應(yīng)力為環(huán)向應(yīng)力與軸向應(yīng)力之差,軸幅為常幅的疲勞校核應(yīng)采用容許應(yīng)力法。向應(yīng)力為溫差應(yīng)力和泊松效應(yīng)引起的組合應(yīng)力對(duì)于常幅疲勞按以下公式進(jìn)行校核環(huán)向應(yīng)力:△;≤AoΔ2≤Δσ(2)軸向應(yīng)力Ao2=0ou-0 7o mis0, =Ea (t,-t,)+uo當(dāng)量應(yīng)力:G=Uh-礦(8)式中Mo1—焊接部位應(yīng)力幅,MPa式中a——環(huán)向應(yīng)力,MPa△a—常幅疲勞的容許應(yīng)力幅,MPaP—管道設(shè)計(jì)壓力,MPa△o2——非焊接部位應(yīng)力幅,MPad—管道內(nèi)徑,mm-計(jì)算部位每次循環(huán)應(yīng)力最大拉應(yīng)力6—管道公稱壁厚,mm(取正值),MPaa,—軸向應(yīng)力MPaam—計(jì)算部位每次循環(huán)應(yīng)力最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力(拉應(yīng)力取正值,壓應(yīng)力取E—彈性模量,取2.0×105MPa負(fù)值),MPaa:鋼材的線膨脹系數(shù)取12×103K1m—應(yīng)力循環(huán)次數(shù)t:——管道安裝溫度,取30℃CB—系數(shù)t2-輸送介質(zhì)的溫度,取0℃C及β值可根據(jù)疲勞計(jì)算的構(gòu)件和連接分類按從—泊松比,取03文獻(xiàn)[5]選取σ—當(dāng)量應(yīng)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(jù)式(6)~(8),管道的當(dāng)量應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見某城市高壓管道總長(zhǎng)度為624km,管道外徑表2。為508mm,管道的設(shè)計(jì)壓力為40MPa,利用高壓表2管道當(dāng)量應(yīng)力計(jì)算結(jié)果管道儲(chǔ)氣調(diào)峰,壓力下限設(shè)定值為0.6MPa,管道每Tab 2 Caleulated results of pipeline equivalent stress天調(diào)峰1次調(diào)峰的壓力在管道設(shè)計(jì)壓力與管道壓壓力管道外壁厚/環(huán)向應(yīng)力軸向應(yīng)力當(dāng)量應(yīng)力力下限設(shè)定值之間波動(dòng),而且每天調(diào)峰的壓力波動(dòng)徑/n幅值認(rèn)為是相同的。根據(jù)以上條件認(rèn)為管道應(yīng)力疲105,8勞是常幅疲勞,可以利用常幅疲勞計(jì)算公式進(jìn)行疲16.9勞校核。根據(jù)式(3)計(jì)算焊縫處應(yīng)力幅△1為:②容許應(yīng)力幅Ao, =7.0 MPa-(-60 2 MPa)=67.2 MPa管道設(shè)計(jì)壽命為30年,則設(shè)計(jì)壽命內(nèi)應(yīng)力循環(huán)由式(4)計(jì)算非焊接部位應(yīng)力幅△2為次數(shù)m為△o2=7.0MPa-(-60.2MPa)x0.7=49.1m=30×365=10950對(duì)于鋼質(zhì)管道根據(jù)疲勞計(jì)算的構(gòu)件和連接分高壓管道焊縫處最大實(shí)際應(yīng)力幅Mσ1為672類,在GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄EMPa,非焊接部位最大實(shí)際應(yīng)力幅△a2為49.選擇類別21,得C=861×102,B=4,則容許應(yīng)力MPa在整個(gè)管道壽命期內(nèi),容許應(yīng)力幅Δo為幅根據(jù)式(5)計(jì)算得:529Ⅵ凵中國(guó)煤化工壓管道能滿足疲529.5MPa勞條CNMHG計(jì)壽命內(nèi)不會(huì)發(fā)實(shí)際應(yīng)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(shè)臨界角的計(jì)算在敷設(shè)高壓管道過程中,改變管道走向或管道+(-1)12)7+…埋深時(shí),若現(xiàn)場(chǎng)條件允許,應(yīng)優(yōu)先采用彈性敷設(shè),因(11)為管道彈性敷設(shè)受氣溫影響很小,有利于管道抗震對(duì)式(11)右端取前2項(xiàng)結(jié)合式(9)、(10),可能力的提高及管道的平穩(wěn)運(yùn)行減少?gòu)澒?頭)的用以得到彈性敷設(shè)的臨界角單位為(°)]:量,加快施工進(jìn)度并且節(jié)約大量建設(shè)資金。(12)根據(jù)GB50251-2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定3,管道采用彈性敷設(shè)需同時(shí)滿足以下式(12)的計(jì)算精度完全可以滿足工程設(shè)計(jì)的兩個(gè)條件:需要,計(jì)算實(shí)例見表3。R≥10D(9)表3彈性敷設(shè)臨界角簡(jiǎn)化公式計(jì)算結(jié)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(guī)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(zhuǎn)角,(°)式(9)是為了滿足管道強(qiáng)度的要求作出的規(guī)定,式(10)是假設(shè)支撐條件為介于兩端簡(jiǎn)支和嵌固參考文獻(xiàn):之間的中間狀態(tài)撓度系數(shù)取簡(jiǎn)支梁和兩端嵌固梁[1]sYr4071-93,管道下向焊接工藝規(guī)程[s撓度系數(shù)的平均值,是為了滿足垂直面上彈性[2]sYT0450200,輸油(氣)埋地鋼質(zhì)管道抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]設(shè)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(shè)計(jì)規(guī)范[S]度曲線的曲率半徑。[4]GB508-2006,城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范[S在管道設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)人員關(guān)心的是在滿足式[51cB5017-200,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[s](9)、(10)條件下的a值并依據(jù)管道轉(zhuǎn)角a的臨界[6張箭嘯理地管道彈性敷設(shè)豎向轉(zhuǎn)角臨界值的計(jì)算值來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(chǔ)運(yùn),2002,21(8):15-17彈性敷設(shè)。由于式(10)是a的隱函數(shù)方程,求解較為困難部分高壓管道設(shè)計(jì)就不論管道管徑大小,將作者簡(jiǎn)介楊羅(1981-),男,四川樂山人,助彈性敷設(shè)的臨界角a保守地規(guī)定為某一較小的值理工程師,學(xué)士,從事城市燃?xì)夤こ痰淖?通常是3°)。詢與設(shè)計(jì)工作。其實(shí)式(10)可以通過高等數(shù)學(xué)方法進(jìn)行求解,電話:(021)51293828得出滿足工程設(shè)計(jì)精度要求的簡(jiǎn)化公式。將cosaE-mail:yangluoengineer@163.com展開(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(qū)葛沾鎮(zhèn)天然氣工程簡(jiǎn)介建設(shè)規(guī)模:用氣量為1.2×104m3/d工程內(nèi)容:3座中一低壓調(diào)壓站、中壓管網(wǎng)(DN200~400mm)及庭院管網(wǎng)(DN80m)。中國(guó)煤化工CNMHG利通訊員供稿)