城市天然气高压管道设计的若干问题

第27卷第11期煤气与热力Vol.27 No, 112007年11月GAS & HEATNov. 2007燃气输配与储运城市天然气高压管道设计的若干问题杨罗'， 姚剑锋’，吴小平'(1.中国市政工程西南设计研究院，四川成都610081; 2.宁波兴光煤气集团公司,浙江宁波315010)摘要:针对城市天然气高压管道设计中管道材质的选择、管道疲劳校核以及管道殚性敷设临界角的计算等问题,提出了解决方法。关键词:天然气高压管道;管道材质;疲劳校核;弹性敷设中图分类号: TU996文献标识码; A文章编号: 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管道材质的选择管指标恰如其分的技术要求,绝不是管材的指标越随着国家西气东输等大型天然气工程的建设，高越好 ,要考忠管道敷设现场的具体条件,要考虑性我国已经能够成熟地生产X52 - X70的高强度合金价比。 从实际工程来看,并不是所有工程都实现了钢,X80 ~ X100等级的管道钢也处于研制阶段,这采用高钢级降低管道造价的初衷,相反,部分设计采为高压力.大管径输气管材的制造提供了有力的保用较高钢级的管道在技术上并没有做到最佳选择。首先,从管道技术方面来看:理论上使用高钢级管材可以减小管道的壁厚，①随着管道 钢级的提高,管材韧性尤其是管从而降低管道的造价,但在部分高压管道设计中存材冲击韧性并没有相应提高，使得高强度管道发生在不结合具体情况--味地追求高钢级管材的问题。延性断裂的概率增加;随着管道钢级的提高,管道壁例如,某些城市高压管道设计压力为4.0 MPa,公称厚随之减小， 管道刚度下降。直径为300 mm,已经用到了X65钢级的管材,这是②从施工条件来看,钢级越高的管道焊接所不合适的。需的环境条件越苛刻。规范《管道下向焊接工艺规对于城市高压管道材质应有较严格的技术条程》(SY/T 4071- 93) 规定" ,X52钢级的钢管在环件,在确保工艺与管道安全运行的前提下，提出对钢境温度高于 5 C时,可不预热，直接进行现场焊接;●1.第27卷第11期煤气与热力www. watergasheat. com而X60钢级的钢管在0C以上的任何环境中施工的日的,是规范认可的做法。与采用X60高钢级钢时,焊前必须预热到100~ 150 C。管相比，采用X52低钢级俐管加大了管道壁厚,合③规范《输油( 气)埋地钢质管道抗震设计规理减小了管道与建筑物的安全间距，减少了土地赔范》(SY/T 0450- -2004)规定日,为提高管道的抗震偿费用400x10*元，在综合费用比较上减少了265能力,需采用延性良好的管材及增加管道壁厚。在x10*元的工程总造价,所以本工程选择X52低钢有抗震要求(特别是7度及以上地震烈度、活动断级钢管更具优势。即使不存在类似上述工程的土地层带、滑坡地段、沙土液化区)的地区,采用较低钢赔偿费用，通过采用低钢级的厚壁管合理减小与建级的管道比采用高钢级的管道具有更强的抗震能筑物的安全间距，减少工程中建筑物的拆迁量，往往力。也能大大节约工程造价和保证工程进度。其次,结合工程实例从工程经济方面来看:表1不同钢级高压管道建设造价计算①某燃气电厂 高压专线管道工程,设计压力Tab.1 Calculation of contuction coet of high-pressure为4.0 MPa,管道外径为35. 6 mm,敷设地区为三pipeline with diferent steel grades级地区(考虑具体情况，强度设计系数取0.40),设高压管道钢壁厚管材费用与建筑物赔偿计长度为7.6 km。根据《输气管道工程设计规范》级/mm| 1元 最小安全费用/元(CB 50251- -2003 )提供的管道壁厚计算公式计1 mm| 间距/m I算'31,X52钢级管道计算壁厚为4.94 mm, X60钢级X52660|9.5 6069x10* 9.0 1450 x 106 5I9x 10管道计算壁厚为4.28 mm。为了保证高压管道具有X606608.75934x10* 17.0 [850x 10'6 784 x10*一定的刚度,防止管道在正常的运输、敷设、埋管的综合以上分析,可以看出管道材质的选择不仅情况下出现圆截面的失稳，《输气管道工程设计规和管道的管径、设计压力及设计系数有关,而且还和范》(GB 50251- -2003 )规定了不同管径的最小管道管道具体敷设的环境以及工程所具备的施工条件有壁厚'],公称直径为350 mm的管道最小壁厚为5密切的联系,在确定管道材质时不能一-味地追求高mm,在该条款规定下,依据计算管道壁厚并结合管指标,要具体工程具体分析,综合各种因蒙比较、分道壁厚规格,确定X52和X60钢级管道的选取壁厚析后做出选择。均为5.2 mm。2管道疲劳校核该工程高压管道在最小壁厚的规定下,采用高2.1管道疲劳的概念钢级的管材不能减小管道壁厚,由于钢管管材指标管道疲劳或疲劳破坏是指管道母材及管道焊缝的提高造成了管道材料费的增加。在循环应力多次反复作用下裂纹生成扩展导致管②某城市高压环网管道设计压力为4.0道断裂破坏的现象。疲劳强度是指管道发生疲劳或MPa,管道外径为660 mm,敷设地区为三级地区(强疲劳破坏时的最大应力,一般用疲劳持久极限來衡度设计系数取0.40),设计长度为50km。当地政府量,即管道在循环应力作用下,经过无数次(通常规要求建设单位对高压管道与建筑物的安全距离内的定大于100x10*次)的应力循环也不会导致疲劳破土地进行5元/m2的补偿。X52管材按8 000元/t,坏的最大应力。X60管材按8500元/t计算,不同钢级高压管道建由于城巾高压管道进行储气调峰的优越性,绝设造价计算见表I。大多数城市的高压管道不仅承担着输气功能还承担虽然采用X52低钢级钢管壁厚增大了0.8 mm,着储气调峰的功能。集输储功能于- -体的高压管道增加了铡材消耗量,在管材费用上比X60高钢级钢由于管道内气体压力周期性变化，管道所受应力也管多出135x10*元，但由于高压管道与建筑物之间周期性变化，因此在设计过程中进行管道的疲劳校需要一定的安全问距,安全间距的大小直接决定了核十分必要。土地赔偿费用。根据《城镇燃气设计规范》(CB2.2疲劳校核方法50028- 206)中6.4.11 .6.4.12的条文解释利,可管道应力在上下限之间波动的范围称为应力以看出通过增加管道的壁厚降低管道的应力水平，幅。天然气高压管道内压力波动基本可以看成上下以强度确保管道自身安全,从而达到减小安全间距限一定的周期性等幅变化,应力幅按常幅考虑，即高www. watergasheat. com杨罗,等:城市天然 气高压管道设计的若干问题第27卷第11期压管道内所有应力循环的应力幅保持常量。《钢结《输气管道工程设计规范》(GB 50251- 2003 )构设计规范》(CB 50017- 2003 )规定”,对于应力规定可，当鼠应力为环向应力与轴向应力之差,轴幅为常幅的疲劳校核应采用容许应力法。向应力为温差应力和泊松效应引起的组合应力。对于常幅疲劳按以下公式进行校核:环向应力:Oσ,≤Aσ(1)σ=d(6)Aσz≤Aσ(2)28Aσ1=om -i(3)轴向应力:△σ2 =σ -0. Toma(4)σ。=Ea(4,-2) +μσT,(7)当量应力:Aσ=(9)(5)σ。=σ-σa(8)式中Aσ;一 -焊接部位应 力幅，MPa式中σ一环向应力 , MPaAσ-常幅疲劳的容许应力幅,MPap一-管道设计压力, MPaAσz一非焊 接部位应力幅, MPad一管道内径 ,mmσn一-计算部位每次循环应力最大拉应力8.一管道公 称壁厚，mm(取正值) , MPaσ.一轴向应力 ,MPao一-计算部位每 次循环应力最小拉应力E--弹性模量,取2.0x10' MPa或压应力(拉应力取正值，乐应力取a;--钢材的线膨胀系数,取1.2x10-3 K-1负值) ,MPat一管道安装温度,取30Cm-- -应力循环次数Cβ一系数 .h一输 送介质的温度,取0 CC及β值可根据疲劳计算的构件和连接分类按μ一泊松比,取0.3文献[5]选取。σ.--当量应力 ,MPa2.3工程实例分析在最大压力为4.0 MPa和最小压力为0.6 MPa①已知条件时,根据式(6) ~ (8),管道的当量应力计算结果见某城市高压管道总长度为62.4 km,管道外径表2。为508mm,管道的设计压力为4.0MPa,利用高压表2管道当量应力计算结果管道储气调峰,压力下限设定值为0.6 MPa,管道每Tab.2 Calculated reaulta of pipeline equivalent Bte88天调峰1次,调蜂的压力在管道设计压力与管道压压力/管道外|壁厚/环向应力轴向应力当量应力力下限设定值之间波动，而且每天调峰的压力波动MPa|径/mm mm| σ,/MPa| σ/MPa| σ./MPa4.0 5088.7 112.8105.87.0幅值认为是相同的。根据以上条件认为管道应力疲8.716.977.160.2劳是常幅疲劳，可以利用常幅疲劳计算公式进行疲劳校核。根据式(3)计算焊缝处应力幅Aσ;为:②容许应力幅Aσ, =7.0 MPa-( - 60.2 MPa) =67.2 MPa管道设计寿命为30年,则设计寿命内应力循环由式(4)计算非焊接部位应力幅Sσ2为:次数m为:Aσz =7.0 MPa-( -60.2 MPa) x0.7 =49.1m=30x365= 10 950MPa对于钢质管道，根据疲劳计算的构件和连接分高压管道焊缝处最大实际应力幅Aσ为67.2类,在GB 50017- 2003《 钢结构设计规范》附录EMPa,非焊接部位最大实际应力幅Aσz为49. 1选择类别2[9] ,得C=861 x10/2 ,β=4,则容许应力MPa。在整个管道寿命期内,容许应力幅Qσ为幅根据式(5)计算得:529.5 MPa,根据式(1)、(2),该高压管道能满足疲Aσ =529.5 MPa劳条件,有足够的安全性,管道在设计寿命内不会发B实际应力幅生疲劳破坏。●3.第27卷第11期煤气与热力www. watergasheat. com3管道弹性敷设临界角的计算_acosa=1-2! 4!(2n)!在敷设高压管道过程中,改变管道走向或管道(11)埋深时,若现场条件允许,应优先采用弹性敷设,因为管道弹性敷设受气温影响很小,有利于管道抗震对式(11)右端取前2项,结合式(9)、(10),可能力的提高及管道的平稳运行,臧少弯管(头)的用以得到弹性敷设的临界角aa[单位为(°)]:量,加快施工进度并且节约大量建设资金。42.1(12)pt根据GB 50251- -2003《输气管道工程设计规:范》的规定(),管道采用弹性敷设需同时满足以下式(12)的计算精度完全可以满足工程设计的需要,计算实例见表3。两个条件:R≥10D(9)褰3弹性敷设临界角简化公式计算结果Tab.3 Calculated results of simplified fomula for cricalR≥3 60(1-008号周(10)angle of pipeline elastie itallation管道规格/mm临界角 Qm/(°)曲率半径R/m式中R- -管道的曲 率半径,m0508. 0x10.35.91508.17管道外径,cm0323.9x7.97.40324.10a- -管道的转角,(°)式(9)是为了满足管道强度的要求作出的规参考文献:定,式(10)是假设支撑条件为介于两端简支和嵌固[1] SY/T4071- 93 ,管道下向焊接工艺规程[S].之间的中间状态,挠度系数取简支梁和两端嵌固梁[2] SY/T0450- 2004, 输油(气)埋地钢质管道抗震设计挠度系数的平均值'0] ,是为了满足垂直面上弹性敷规范[S].设的管道曲率半径大于管道在自重作用下产生的挠[3] CB 50251 - -2003 ,输气管道工程设计规范[S].度曲线的曲率半径。[4] GB 50028- -2006 ,城镇燃气设计规范[S].在管道设计过程中设计人员关心的是在满足式5] CB 50017- -2003 ,钢结构设计规范[S].(9)、(10)条件下的a值,并依据管道转角a的临界6]张箭啸埋地管道弹性敷设竖向转角临界值的计算值米确定管道改变走向或管道埋深时是否适合采用[J]，油气储运,2002 ,21(8):15-17. .弹性敷设。由于式(10)是a的隐函数方程,求解较为困难,部分高压管道设计就不论管道管径大小,将作者简介:杨罗(1981- )， 男，四川乐山人，助弹性敷设的临界角a,。保守地规定为某一较小的值理工程师，学士，从事城市燃气工程的咨(通常是3°)。询与设计工作。其实式( 10)可以通过高等数学方法进行求解，电话:(021)51293828得出满足工程设计精度要求的简化公式。将eos aE - mail:yangluoengineer@ 163. com展开(a的单位为rad):收稿日期:2006-11-20;修回日期 :2007-01-11●工程信息.天津市津南区葛沽镇天然气工程简介建设规模:用气量为1.2x10* m'/d。工程内容:;3座中-低压调压站、中压管网(DN 200 ~ 400 mm)及庭院管网(DN 80 mm)。(本刊通讯员供稿)