城市天然气高压管道设计的若干问题VIP

第 2 7卷第 1 1 期 2 0 0 7年 1 1月 煤 气 与 热 力 GAS HEAT Vo 1 2 7 No 1 1 NO V 2 00 7 零 零 爨 燃 气 输 配 与 储 运甏 e 譬 辱 毫 器磺 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 6 1 0 0 8 1 ；2 宁波兴光煤气集团公 司， 浙江 宁波 3 1 5 0 1 0 ) 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弹性敷设 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：T U 9 9 6 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 0 4 4 1 6 ( 2 0 0 7 ) 1 1 0 0 0 1 0 4 S o m e Pr o b l e m s a bo u t De s i g n o f Ur b a n Na t ur a l Ga s Hi g h- p r e s s ur e Pi p e l i ne YANG L u o ， YAO J i a n f e n g ， W U X i a o p i n g ( 1 S o u t h w e s t Mu n i c i p a l E n g i n e e r i n g D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a ， C h e n g d u 6 1 0 0 8 1 ， C h i n a ； 2 N i n g b o X i n g g u a n g G a s G r o u p C o m p a n y ， N i n g b o 3 1 5 0 1 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ai me d a t t h e s e l e c t i o n o f p i pe l i n e ma t e ria l s i n d e s i g n o f u r b a n n a t u r a l g a s h i g h p r e s s u r e p i p e l i n e，t h e p i p e l i n e f a t i g ue c h e c k，t h e c a l c u l a t i o n o f c rit i c a l a n g l e o f p i p e l i n e e l a s t i c i n s t a l l a t i o n a n d o t h e r p r o b l e ms ，t h e s o l u t i o n s a r e p u t f o r wa r d， Ke y wo r d s： n a t u r a l g a s h i g h p r e s s u r e p i pe l i n e；p i p e l i n e ma t e ria l ； f a t i g u e c h e c k； e l a s t i c i n s t A 1 1 A t i O n 1 管道材质的选择 随着 国家西气东输等大型天然气工程的建设 ， 我国已经能够成熟地生产 X 5 2X 7 0的高强度合金 钢 ， X 8 0X1 0 0等级的管道钢也处于研制阶段 ， 这 为高压力 、 大管径输气管材 的制造提供 了有力的保 障。 理论上使用高钢级管材可 以减小管道的壁厚 ， 从而降低管道的造价 ， 但在部分高压管道设计 中存 在不结合具体情况一味地追求高钢级管材的问题。 例如， 某些城市高压管道设计压力为 4 0 M P a ， 公称 直径为 3 0 0 m m， 已经用到了 X 6 5钢级的管材 ， 这是 不合适的。 对于城市高压管道材质应有较严格 的技术条 件， 在确保工艺与管道安全运行的前提下， 提出对钢 管指标恰如其分的技术要求， 绝不是管材的指标越 高越好 ， 要考虑管道敷设现场的具体条件 ， 要考虑性 价 比。从实际工程来看 ， 并不是所有工程都实现 了 采用高钢级降低管道造价 的初衷， 相反， 部分设计采 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 ： 随着管道钢级的提高 ， 管材韧性尤其是管 材冲击韧性并没有相应提高， 使得 高强度管道发生 延性断裂的概率增加 ； 随着管道钢级的提高， 管道壁 厚随之减小 ， 管道刚度下降。 从施工条件来看， 钢级越高的管道焊接所 需的环境条件越苛刻 。规范 管道下 向焊接工艺规 程 ( S Y T 4 0 7 1 9 3 ) 规定 ， X 5 2钢级 的钢管在环 境温度高于5时， 可不预热， 直接进行现场焊接； 维普资讯 第2 7 卷第 1 1 期 煤 气 与 热 力 而 X 6 0钢级的钢管在 0 0 【 = 以上 的任何环境 中施工 时， 焊前必须预热到 1 0 01 5 0 0 【 = 。 规范 输油( 气 ) 埋地钢质管道抗震设计规 范 ( S Y T 0 4 5 0 -2 0 0 4 ) 规定 ， 为提高管道 的抗震 能力， 需采用延性 良好 的管材及增加管道壁厚。在 有抗震要求 ( 特别是 7度及以上地震烈度 、 活动断 层带、 滑坡地段 、 沙土液化区) 的地区， 采用较低钢 级的管道 比采用高钢级 的管道具有更强 的抗震 能 力 。 其次 ， 结合工程实例从工程经济方面来看 ： 某燃气 电厂高压专线管道工程， 设计压力 为 4 0 MP a ， 管道外径为 3 5 5 6 m m， 敷设地 区为三 级地区( 考虑具体情况 ， 强度设计系数取 0 4 0 ) ， 设 计长度为 7 6 k m。根据 输气管道工程设计规范 ( G B 5 0 2 5 1 _2 ( ) ( ) 3) 提供 的管 道 壁厚 计 算 公 式计 算 ， X 5 2钢级管道计算壁厚为 4 9 4 mm， X 6 0钢级 管道计算壁厚为 4 2 8 m m。为了保证高压管道具有 一 定的刚度 ， 防止管道在正常的运输 、 敷设 、 埋管的 情况下出现圆截 面的失稳 ， 输气管道工 程设计规 范 ( G B 5 0 2 5 1 _2 ( ) ( ) 3 ) 规定了不 同管径的最小管道 壁厚 ， 公称直径为 3 5 0 m m 的管道最小壁厚为 5 m m， 在该条款规定下 ， 依据计算管道壁厚并结合管 道壁厚规格 ， 确定 X 5 2和 X 6 0钢级管道 的选取壁厚 均为 5 2 m m。 该工程高压管道在最小壁厚 的规定下 ， 采用高 钢级的管材不能减小管道壁厚 ， 由于钢管管材指标 的提高造成 了管道材料费的增加 。 某 城 市高 压 环 网管 道设 计 压 力 为 4 0 MP a ， 管道外径为 6 6 0 m m， 敷设地区为三级地区( 强 度设计系数取 0 4 0 ) ， 设计长度为5 0 k m。当地政府 要求建设单位对高压管道与建筑物的安全距离内的 土地进行 5 i n 的补偿 。X 5 2管材按 8 0 0 0 t ， X 6 0管材按 8 5 0 0 t 计算 ， 不 同钢级高压管道建 设造价计算见表 1 。 虽然采用 X 5 2低钢级钢管壁厚增大了0 8 m m， 增加了钢材消耗量 ， 在管材费用上 比 X 6 0高钢级钢 管多出 1 3 5 X 1 0 元， 但由于高压管道与建筑物之间 需要一定的安全间距 ， 安全间距 的大小直接决定 了 土地赔偿 费用 。根据 城镇 燃 气设计 规 范( G B 5 0 0 2 8 -2 0 0 6 ) 中6 4 1 1 、 6 4 1 2的条文解释 ， 可 以看出通过增加管道的壁厚降低管道的应力水平 ， 以强度确保管道 自身安全 ， 从而达到减小安全问距 2 的目的， 是规范认 町的做法 。 与采用 X 6 0高钢级钢 管相 比， 采用 X 5 2低钢级钢管加大 了管道壁厚 ， 合 理减小 了管道与建筑物的安全 问距 ， 减少 了土地赔 偿费用 4 0 0 X 1 0 元， 在综合费用比较上减少 了 2 6 5 X 1 0 元的工程总造价， 所以本工程选择 X 5 2低钢 级钢管更具优势。即使不存在类似上述工程的土地 赔偿费用 ， 通过采用低钢级的厚擘管合婵减小与建 筑物的安全间距 ， 减少工程中建筑物的拆迁量 ， 往往 也能大大节约工程造价和保j | F 工程进度。 表 1 不 同钢级高压管道建设造价计算 Ta b 1 Ca l c u l a t i o n o f c o ns t r uc tio n c o s t o f hi g h pr e s s u r e p i p e l i n e wi t l l d i ffe r e n t s t e e l g r a d e s 高压管道 钢 管道 壁厚 管材费用 与建筑物 赔偿 合计 外径 费用 级 mm 兀 最小安全 兀 m m 兀 间距 m X52 6 6 0 9 5 6 0 69 X 1 0 9 0 4 5 0 X1 0 6 51 9 X 1 0 X6 0 6 6 0 8 7 5 9 3 4 X1 0 1 7 0 8 5 0 X1 0 6 78 4 X1 0 综合以上分析 ， 可 以看出管道材质的选择不仅 和管道的管径 、 设计压力及设计系数有关 ， 而且还和 管道具体敷设的环境 以及T程所具备的施工条件有 密切的联系 ， 在确定管道材质时不能一 味地追求高 指标， 要具体工程具体分析 ， 综合各种 凶素比较、 分 析后做出选择 。 2 管道疲劳校核 2 1 管道疲劳的概念 管道疲劳或疲劳破坏是指管道母材及管道焊缝 在循环应力多次反复作用下裂纹牛成 、 扩展导致管 道断裂破坏的现象。疲劳强度是指管道发生疲劳或 疲劳破坏时的最大应力， 一般用疲劳持久极限来衡 量， 即管道在循环应力作用下 ， 经过无数次( 通常规 定大于 1 0 0 X 1 0 次) 的应力循环也不会导致疲劳破 坏的最大应力 。 由于城市高压管道进行储气调峰的优越性 ， 绝 大多数城市的高压管道不仪承担着输气功能还承担 着储气调峰的功能。集输储功能于一体的高压管道 由于管道内气体压力周期性变化， 管道所受应力也 周期性变化 ， 因此在设计过程中进行管道的疲劳校 核十分必要。 2 2 疲 劳校核 方法 管道应力在上下限之问波动的范围称为应力 幅。天然气高压管道 内压力波动基本可以看成上下 限一定的周期性等幅变化 ， 应力幅按常幅考虑 ， 即高 维普资讯 杨 罗， 等 ： 城 市天然气 高压管道设计的若干问题 第 2 7卷第 1 1期 压管道内所有应力循环 的应力幅保持常量。 钢结 构设计规 范( G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 3 ) 规定 ， 对 于应力 幅为常幅的疲劳校核应采用容许应力法 。 对于常幅疲劳按以下公式进行校核 ： A o- A o- ( 1 ) A o- 2 A o- ( 2 ) Ao- 1 = O- 一 O- ( 3 ) Ao-2= O- 一 0 7 o “ ( 4 ) 上 ： f 1 ( 5 ) 、 ， ， ， 式 中A o“ 焊接部位应力幅 ， M P a 常幅疲劳的容许应力幅， MP a A o“ 非焊接部位应力幅 ， MP a 计算部位每次循环应力最大拉应力 ( 取正值) ， M P a 计算部位每次循环应力最小拉应力 或压应力 ( 拉应力取正值 ， 应力取 负值 ) ， MP a m应力循环次数 C、 系数 C及 值可根据疲劳计算 的构件和连接分类按 文献 5 选取 。 2 3 工程 实例分 析 已知条件 某城市高压管道总长度 为 6 2 4 k m， 管道外径 为 5 0 8 n l n l ， 管道的设计压力为 4 0 MP a ， 利用高压 管道储气调峰， 压力下限设定值为 0 6 MP a ， 管道每 天调峰 1 次 ， 调峰的压力在管道设计压力 与管道压 力下限设定值之间波动 ， 而且每天调峰的压力波动 幅值认为是相同的。根据以上条件认为管道应力疲 劳是常幅疲劳 ， 可以利用常幅疲劳计算公式进行疲 劳校核。 容许应力幅 管道设计寿命为 3 O年， 则设计 寿命内应力循环 次数 m为 ： 7 2=3 0 3 6 5= 1 0 9 5 0 埘于钢质管道， 根据疲劳计算的构件和连接分 类 ， 在 G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 3 钢结构设计规范 附 录 E 选择类别 2 ， 得 C=8 6 11 0 ， =4 ， 则容许应力 幅根据式 ( 5 ) 计算得 ： Ao“ =5 2 9 5 MPa 实际应力幅 3 输气管道工程设计规 范( G B 5 0 2 5 1 _2 O 0 3) 规定 J ， 当量应力为环 向应力 与轴 向应力之差 ， 轴 向应力为温差应力和泊松效应 引起 的组合应力。 环向应力 ： = ( 6 ) h L 0 轴 向应力 ： 。= z ( t 1 一 t 2 ) + h ( 7 ) 当量应力 ： 。= h 一 ( 8 ) 式 中 环向应力， MP a p 管道设计压力 ， MP a d 管道内径 ， n l n l 6 管道公称壁厚 ， n l n l 。 轴向应力 ， MP a E 弹性模量 ， 取 2 01 0 MP a ，钢材的线膨胀系数， 取 1 21 0 。K t 管道安装温度 ， 取 3 O 输送介质的温度 ， 取 0 一一 泊松比， 取 0 3 应力， MP a 在最大压力为 4 0 MP a 和最小压力为 0 6 MP a 时， 根据式( 6 )( 8 ) ， 管道的当量应力计算结果见 表 2 。 表 2 管道 当量应力计算结果 T a b 2 C a l c u l a t e d I s u h 3 o f p i p e l i n e e q u i v a l e n t s t r e s s 压力 管道外 壁厚 环 向应力 轴向应力 当量应力 MP a 径 mm mm h MP a f ， MP a f ， MP a 4 0 5 08 8 7 1 1 2 8 1 0 5 8 7 0 0 6 5 08 8 7 1 6 9 7 7 1 60 2 根据式 ( 3 ) 计算焊缝处应力幅 A o“ 为 ： A o“ =7 0 MP a 一(一 6 0 2 M P a )= 6 7 2 MP a 由式( 4 ) 计算非焊接部位应力幅 A o“ ， 为 ： A o“ 2 = 7 0 MP a 一(一 6 0 2 MP a ) 0 7= 4 9 1 MP 高压管道焊缝处最大实际臆力幅 A c t 为 6 7 2 MP a ， 非 焊接 部 位 最 大 实 际 应力 幅 A o“ 为 4 9 1 MP a 。在整 个 管 道 寿命 期 内， 容许 应 力 幅 A o“ 为 5 2 9 5 MP a ， 根据式 ( 1 ) 、 ( 2 ) ， 该高压 管道能满足疲 劳条件 ， 有足够 的安全性 ， 管道在设计寿命内不会发 生疲劳破坏。 维普资讯 第2 7 卷第1 1 期 煤 气 与 热 力 3 管道弹性敷设临界角的计算 在敷设高压管道过程中， 改变管道走向或管道 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 能力的提高及管道的平稳运行， 减少弯管( 头) 的用 量 ， 加快施工进度并且节约大量建设资金 。 根据 G B 5 0 2 5 1 2 0 0 3 输气管道工程设计规 范 的规定 J ， 管道采用弹性敷设需同时满 足以下 两个条件 ： 1 0 D ( 9 ) n2 喜 3 6 0 0 f 1 一 c 0 s 詈 1 1 ( 1 0 ) L J 式中 管道的曲率半径 ， r l l D 管道外径 ， c m 管道的转角 ， ( 。 ) 式 ( 9 ) 是 为了满足管道强度 的要求作 出的规 定， 式( 1 0 ) 是假设支撑条件为介于两端简支和嵌 固 之间的中间状态 ， 挠度 系数取简支梁和两端嵌固梁 挠度系数的平均值 J ， 是为了满足垂直面上弹性敷 设的管道曲率半径大于管道在 自重作用下产生的挠 度曲线的曲率半径。 在管道设计过程 中设计人员关心的是在满足式 ( 9 ) 、 ( 1 0 ) 条件下的 O t 值 ， 并依据管道转角 O t 的临界 值来确定管道改变走向或管道埋深时是否适合采用 弹性敷设。由于式( 1 0 ) 是 O t 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 弹性敷设的临界角 O t 保守地规定为某一较小的值 ( 通常是 3 。 ) 。 其实式( 1 0 ) 可以通过高等数学方法进行求解 ， 得出满足工程设计精度要求的简化公式。将 C O S O t 展开( O t 的单位为 r a d ) ： c 。 s =1一 + O t一 。 +(一 1 ) O t + 。 ( 1 1 ) 对式( 1 1 ) 右端取前 2项 ， 结合式 ( 9 ) 、 ( 1 0 ) ， 可 以得到弹性敷设的临界角 O t 单位为( 。 ) ： 4 2 1 一 D丁 ( 1 2 ) 式( 1 2 ) 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 。 表 3 弹性敷设临界角简化公式计算结果 T a b 3 C Mc a t e d r e s u l t s o f s i m p l i fi e d f o r