第27卷第11期煤氣與熱力Vol.27 No, 112007年11月GAS & HEATNov. 2007燃氣輸配與儲運城市天然氣高壓管道設(shè)計的若干問題楊羅'， 姚劍鋒’，吳小平'(1.中國市政工程西南設(shè)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:針對城市天然氣高壓管道設(shè)計中管道材質(zhì)的選擇、管道疲勞校核以及管道殫性敷設(shè)臨界角的計算等問題,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: 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'，YA0 Jjian-feng'，WU Xiao-ping'(1. Southwest Municipal Engineering Design and Research Institute of China, Chengdu610081，, China; 2. Ningbo Xingguang Gas Croup Company , Ningbo 315010, China)Abstract: 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 forward.Key words: natural gas high-pressure pipeline; pipeline material; faligue check; elastic in-stallation1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國家西氣東輸?shù)却笮吞烊粴夤こ痰慕ㄔO(shè)，高越好 ,要考忠管道敷設(shè)現(xiàn)場的具體條件,要考慮性我國已經(jīng)能夠成熟地生產(chǎn)X52 - X70的高強度合金價比。 從實際工程來看,并不是所有工程都實現(xiàn)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的初衷,相反,部分設(shè)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:理論上使用高鋼級管材可以減小管道的壁厚，①隨著管道 鋼級的提高,管材韌性尤其是管從而降低管道的造價,但在部分高壓管道設(shè)計中存材沖擊韌性并沒有相應(yīng)提高，使得高強度管道發(fā)生在不結(jié)合具體情況--味地追求高鋼級管材的問題。延性斷裂的概率增加;隨著管道鋼級的提高,管道壁例如,某些城市高壓管道設(shè)計壓力為4.0 MPa,公稱厚隨之減小， 管道剛度下降。直徑為300 mm,已經(jīng)用到了X65鋼級的管材,這是②從施工條件來看,鋼級越高的管道焊接所不合適的。需的環(huán)境條件越苛刻。規(guī)范《管道下向焊接工藝規(guī)對于城市高壓管道材質(zhì)應(yīng)有較嚴格的技術(shù)條程》(SY/T 4071- 93) 規(guī)定" ,X52鋼級的鋼管在環(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 C時,可不預(yù)熱，直接進行現(xiàn)場焊接;●1.第27卷第11期煤氣與熱力www. watergasheat. com而X60鋼級的鋼管在0C以上的任何環(huán)境中施工的日的,是規(guī)范認可的做法。與采用X60高鋼級鋼時,焊前必須預(yù)熱到100~ 150 C。管相比，采用X52低鋼級俐管加大了管道壁厚,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/T 0450- -2004)規(guī)定日,為提高管道的抗震償費用400x10*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,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、活動斷級鋼管更具優(yōu)勢。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),采用較低鋼賠償費用，通過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間距，減少工程中建筑物的拆遷量，往往力。也能大大節(jié)約工程造價和保證工程進度。其次,結(jié)合工程實例從工程經(jīng)濟方面來看:表1不同鋼級高壓管道建設(shè)造價計算①某燃氣電廠 高壓專線管道工程,設(shè)計壓力Tab.1 Calculation of contuction coet of high-pressure為4.0 MPa,管道外徑為35. 6 mm,敷設(shè)地區(qū)為三pipeline with diferent steel grades級地區(qū)(考慮具體情況，強度設(shè)計系數(shù)取0.40),設(shè)高壓管道鋼壁厚管材費用與建筑物賠償計長度為7.6 km。根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》級/mm| 1元 最小安全費用/元(CB 50251- -2003 )提供的管道壁厚計算公式計1 mm| 間距/m I算'31,X52鋼級管道計算壁厚為4.94 mm, X60鋼級X52660|9.5 6069x10* 9.0 1450 x 106 5I9x 10管道計算壁厚為4.28 mm。為了保證高壓管道具有X606608.75934x10* 17.0 [850x 10'6 784 x10*一定的剛度,防止管道在正常的運輸、敷設(shè)、埋管的綜合以上分析,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)計規(guī)和管道的管徑、設(shè)計壓力及設(shè)計系數(shù)有關(guān),而且還和范》(GB 50251- -2003 )規(guī)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350 mm的管道最小壁厚為5密切的聯(lián)系,在確定管道材質(zhì)時不能一-味地追求高mm,在該條款規(guī)定下,依據(jù)計算管道壁厚并結(jié)合管指標,要具體工程具體分析,綜合各種因蒙比較、分道壁厚規(guī)格,確定X52和X60鋼級管道的選取壁厚析后做出選擇。均為5.2 mm。2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2.1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(yīng)力多次反復(fù)作用下裂紋生成擴展導(dǎo)致管②某城市高壓環(huán)網(wǎng)管道設(shè)計壓力為4.0道斷裂破壞的現(xiàn)象。疲勞強度是指管道發(fā)生疲勞或MPa,管道外徑為660 mm,敷設(shè)地區(qū)為三級地區(qū)(強疲勞破壞時的最大應(yīng)力,一般用疲勞持久極限來衡度設(shè)計系數(shù)取0.40),設(shè)計長度為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)單位對高壓管道與建筑物的安全距離內(nèi)的定大于100x10*次)的應(yīng)力循環(huán)也不會導(dǎo)致疲勞破土地進行5元/m2的補償。X52管材按8 000元/t,壞的最大應(yīng)力。X60管材按8500元/t計算,不同鋼級高壓管道建由于城巾高壓管道進行儲氣調(diào)峰的優(yōu)越性,絕設(shè)造價計算見表I。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低鋼級鋼管壁厚增大了0.8 mm,著儲氣調(diào)峰的功能。集輸儲功能于- -體的高壓管道增加了鍘材消耗量,在管材費用上比X60高鋼級鋼由于管道內(nèi)氣體壓力周期性變化，管道所受應(yīng)力也管多出135x10*元，但由于高壓管道與建筑物之間周期性變化，因此在設(shè)計過程中進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。土地賠償費用。根據(jù)《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》(CB2.2疲勞校核方法50028- 206)中6.4.11 .6.4.12的條文解釋利,可管道應(yīng)力在上下限之間波動的范圍稱為應(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。天然氣高壓管道內(nèi)壓力波動基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(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?！朵摻Y(jié)《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50251- 2003 )構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(CB 50017- 2003 )規(guī)定”,對于應(yīng)力規(guī)定可，當(dāng)鼠應(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。對于常幅疲勞按以下公式進行校核:環(huán)向應(yīng)力:Oσ,≤Aσ(1)σ=d(6)Aσz≤Aσ(2)28Aσ1=om -i(3)軸向應(yīng)力:△σ2 =σ -0. Toma(4)σ。=Ea(4,-2) +μσT,(7)當(dāng)量應(yīng)力:Aσ=(9)(5)σ。=σ-σa(8)式中Aσ;一 -焊接部位應(yīng) 力幅，MPa式中σ一環(huán)向應(yīng)力 , MPaAσ-常幅疲勞的容許應(yīng)力幅,MPap一-管道設(shè)計壓力, MPaAσz一非焊 接部位應(yīng)力幅, MPad一管道內(nèi)徑 ,mmσn一-計算部位每次循環(huán)應(yīng)力最大拉應(yīng)力8.一管道公 稱壁厚，mm(取正值) , MPaσ.一軸向應(yīng)力 ,MPao一-計算部位每 次循環(huán)應(yīng)力最小拉應(yīng)力E--彈性模量,取2.0x10' MPa或壓應(yīng)力(拉應(yīng)力取正值，樂應(yīng)力取a;--鋼材的線膨脹系數(shù),取1.2x10-3 K-1負值) ,MPat一管道安裝溫度,取30Cm-- -應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Cβ一系數(shù) .h一輸 送介質(zhì)的溫度,取0 CC及β值可根據(jù)疲勞計算的構(gòu)件和連接分類按μ一泊松比,取0.3文獻[5]選取。σ.--當(dāng)量應(yīng)力 ,MPa2.3工程實例分析在最大壓力為4.0 MPa和最小壓力為0.6 MPa①已知條件時,根據(jù)式(6) ~ (8),管道的當(dāng)量應(yīng)力計算結(jié)果見某城市高壓管道總長度為62.4 km,管道外徑表2。為508mm,管道的設(shè)計壓力為4.0MPa,利用高壓表2管道當(dāng)量應(yīng)力計算結(jié)果管道儲氣調(diào)峰,壓力下限設(shè)定值為0.6 MPa,管道每Tab.2 Calculated reaulta of pipeline equivalent Bte88天調(diào)峰1次,調(diào)蜂的壓力在管道設(shè)計壓力與管道壓壓力/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，而且每天調(diào)峰的壓力波動MPa|徑/mm mm| σ,/MPa| σ/MPa| σ./MPa4.0 5088.7 112.8105.87.0幅值認為是相同的。根據(jù)以上條件認為管道應(yīng)力疲8.716.977.160.2勞是常幅疲勞，可以利用常幅疲勞計算公式進行疲勞校核。根據(jù)式(3)計算焊縫處應(yīng)力幅Aσ;為:②容許應(yīng)力幅Aσ, =7.0 MPa-( - 60.2 MPa) =67.2 MPa管道設(shè)計壽命為30年,則設(shè)計壽命內(nèi)應(yīng)力循環(huán)由式(4)計算非焊接部位應(yīng)力幅Sσ2為:次數(shù)m為:Aσz =7.0 MPa-( -60.2 MPa) x0.7 =49.1m=30x365= 10 950MPa對于鋼質(zhì)管道，根據(jù)疲勞計算的構(gòu)件和連接分高壓管道焊縫處最大實際應(yīng)力幅Aσ為67.2類,在GB 50017- 2003《 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》附錄EMPa,非焊接部位最大實際應(yīng)力幅Aσz為49. 1選擇類別2[9] ,得C=861 x10/2 ,β=4,則容許應(yīng)力MPa。在整個管道壽命期內(nèi),容許應(yīng)力幅Qσ為幅根據(jù)式(5)計算得:529.5 MPa,根據(jù)式(1)、(2),該高壓管道能滿足疲Aσ =529.5 MPa勞條件,有足夠的安全性,管道在設(shè)計壽命內(nèi)不會發(fā)B實際應(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)臨界角的計算_acosa=1-2! 4!(2n)!在敷設(shè)高壓管道過程中,改變管道走向或管道(11)埋深時,若現(xiàn)場條件允許,應(yīng)優(yōu)先采用彈性敷設(shè),因為管道彈性敷設(shè)受氣溫影響很小,有利于管道抗震對式(11)右端取前2項,結(jié)合式(9)、(10),可能力的提高及管道的平穩(wěn)運行,臧少彎管(頭)的用以得到彈性敷設(shè)的臨界角aa[單位為(°)]:量,加快施工進度并且節(jié)約大量建設(shè)資金。42.1(12)pt根據(jù)GB 50251- -2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī):范》的規(guī)定(),管道采用彈性敷設(shè)需同時滿足以下式(12)的計算精度完全可以滿足工程設(shè)計的需要,計算實例見表3。兩個條件:R≥10D(9)褰3彈性敷設(shè)臨界角簡化公式計算結(jié)果Tab.3 Calculated results of simplified fomula for cricalR≥3 60(1-008號周(10)angle of pipeline elastie itallation管道規(guī)格/mm臨界角 Qm/(°)曲率半徑R/m式中R- -管道的曲 率半徑,m0508. 0x10.35.91508.17管道外徑,cm0323.9x7.97.40324.10a- -管道的轉(zhuǎn)角,(°)式(9)是為了滿足管道強度的要求作出的規(guī)參考文獻:定,式(10)是假設(shè)支撐條件為介于兩端簡支和嵌固[1] SY/T4071- 93 ,管道下向焊接工藝規(guī)程[S].之間的中間狀態(tài),撓度系數(shù)取簡支梁和兩端嵌固梁[2] SY/T0450- 2004, 輸油(氣)埋地鋼質(zhì)管道抗震設(shè)計撓度系數(shù)的平均值'0] ,是為了滿足垂直面上彈性敷規(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] CB 50251 - -2003 ,輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范[S].度曲線的曲率半徑。[4] GB 50028- -2006 ,城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范[S].在管道設(shè)計過程中設(shè)計人員關(guān)心的是在滿足式5] CB 50017- -2003 ,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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]張箭嘯埋地管道彈性敷設(shè)豎向轉(zhuǎn)角臨界值的計算值米確定管道改變走向或管道埋深時是否適合采用[J]，油氣儲運,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)計就不論管道管徑大小,將作者簡介: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，從事城市燃氣工程的咨(通常是3°)。詢與設(shè)計工作。其實式( 10)可以通過高等數(shù)學(xué)方法進行求解，電話:(021)51293828得出滿足工程設(shè)計精度要求的簡化公式。將eos aE - 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)葛沽鎮(zhèn)天然氣工程簡介建設(shè)規(guī)模:用氣量為1.2x10* m'/d。工程內(nèi)容:;3座中-低壓調(diào)壓站、中壓管網(wǎng)(DN 200 ~ 400 mm)及庭院管網(wǎng)(DN 80 mm)。(本刊通訊員供稿)