天然气高压管道弯管壁厚的计算.docx

檲檲檲檲檲檲檲檲檲殘燃气标准规范天然气高压管道弯管壁厚的计算春1 ， 时荣剑2 ， 汪宜文1周( 1 中机国际工程设计研究院有限责任公司，江苏 南京 210042; 2 东南大学建筑设计研究院，江苏 南京 210096)摘 要:通过对 GB 502512003输气管道工程设计规范、GB 500282006城镇燃气设计规范中关于弯管的相关要求、壁厚增大系数、壁厚减薄率等参数进行分析，确定弯管壁厚的计算方法。关键词:高压管道;弯管;壁厚增大系数;壁厚减薄率中图分类号:TU996文献标识码:B文章编号:1000 4416( 2011) 09 0B26 03Calculation of Bend Wall Thickness of NaturalGas High-pressure PipelineZHOU Chun， SHI Rongjian， WANG YiwenThrough the analysis of the relevant requirements for bend in Code for Design of GasAbstract:Transmission Pipeline Engineering ( GB 50251 2003) and Code for Design of City Gas Engineering ( GB50028 2006) as well as the wall thickness increase coefficient and wall thickness thinning rate，the cal- culation method of bend wall thickness is determinedKey words:ness thinning ratehigh-pressure pipeline;bend;wall thickness increase coefficient;wall thick-pD概述天然气高压管道经常采用弹性敷设、冷弯弯管 和热煨弯管来实现管道在水平或竖向的转角。本文 主要通过对制作弯管的直管壁厚的计算、直管的热 处理状态引起的屈服极限的变化、环向应力分布不 均匀引起的壁厚增大系数、弯制过程中引起的壁厚 减薄率等因素进行分析，从而确定弯管的计算壁厚。2 直管壁厚的计算无论是冷弯弯管还是热煨弯管均是采用直管弯 制而成，因此，要计算弯管的壁厚首先应确定直管的 壁厚。GB 502512003输气管道工程设计规范 和 GB 500282006城镇燃气设计规范中关于直 管的壁厚计算公式是一致的，均是采用弹性失效准 则，以最大剪应力理论推导而得。直管壁厚应按下 式进行计算:1 =( 1)2s F钢管计算壁厚，mmp设计压力，MPaD钢管外径，mm s 钢管的最低屈服强度，MPa 焊缝系数，按规定选取 1 0F强度设计系数3 直管屈服强度对弯管壁厚的影响在进行直管壁厚的计算时，屈服强度 s 是一个 很重要的参数。管道材质不同，其屈服强度则不同。 管道交货的热处理状态不同，其屈服 强度也不同。 尤其值得注意的是管道交货的热处理状态。GB 500282006城镇燃气设计规范第 6 4 7条规定: 对于采用经冷加工后又经热处理的钢管，当式中檲檲殘檲檲www watergasheat com周 春，等: 天然气高压管道弯管壁厚的计算第 31 卷第 9 期加热温度高于 320 ( 焊接除外) 或采用经过冷加工或热处理的钢管煨弯成弯管时，则在计算该钢管 或弯管壁厚时，其屈服强度应取该管材最低屈服强 度( s ) 的 75% 。GB 502512003输气管道工程设计规范第5 1 5 条与 GB 500282006城镇燃气设计规范 的第 6 4 7 条的规定是一致的。该条文指出: 钢管 的冷加工( 控轧、冷扩等) ，由于应变硬化现象和钢b = m( 2)m = 4 R D ( 3)4R 2D式中 b 弯头或弯管的管壁计算厚度，mm 弯头或弯管所连接的直管段管壁计算厚度，mm m弯头或弯管的管壁厚度增大系数 R弯头或弯管的曲率半径，mm D弯头或弯管的外径，mm此公式主要是考虑弯管在流体压力的作用下， 产生的环向应力沿弯管截面的分布是很不均匀的。 产生的最大环向应力在弯管的内凹点，该点应力比 直管产生的环向应力大，其增大倍数称为内压作用 下弯头的应力增大系数。因此，在计算弯管壁厚时，应在直管壁厚的基础上，考虑一个管壁厚度增大系 数 m。系数 m 是弯头的曲率半径 R 与外径 D 的函 数。曲率半径 R 越大，弯头的管壁厚度增大系数 m 越小，弯头厚度需要的增大量越小，反之越大。根据 GB 502512003输气管道 工 程 设 计 规 范第 4 3 13 条的规定，冷弯弯管的最小曲率半径 见表 1。表 1 冷弯弯管的最小曲率半径管形 变 热 处 理，管 材 的 屈 服 强 度 能 提 高 20%30% 。但由于形变提高的屈服强度会随着回火温度的提高而逐渐消失。一般在 300 320 出现一个 大的相组织变化，在 480 485 强化的效果基本消 失。故规范强调冷加工的管材又进行热处理时，其 屈服强度应取冷加工管材屈服强度的 75% 。通常，天然气高压管道采用符合 GB / T 971121999石油 天然气工业输送钢管交货技术条件 第 2 部分: B 级钢管质量标准的钢管。以 L360 钢 管为例，该标准中对 L360 有 3 种供货方式，分别为 L360NB( 正火或形变正火) 、L360QB ( 淬火加回火) 和 L360MB( 形变热处理) 。该标准中的第 7 3 条注8 指出，在对以淬火加回火或形变热处理状态交货 的钢管进行热加工成型和( 或) 随后进行现场热处 理时会出现力学性能的不良变化。该标准的第 33 2 条指出，形变热处理是一种形变过程。在此过 程中，最终形变在一定温度范围内完成，使得材料具 有单独采用热处理无法达到或重复的某些性能。若 随后加热至 580 以上会降低强度值。对于冷弯弯管而言，制作过程没有采用二次热处理。因此，管道交货状态而引起的屈服强度变化 对其壁厚的计算没有影响。对于热煨弯管而言，管子煨弯的加热温度一般为 800 1 000 ，对于形变热处理状态的钢管，热 弯过程必然使其强度有不同程度的降低。因此，对 采用形变热处理钢管作为母管的热煨弯管，其壁厚 的计算需注意母材的供货热处理状态。即不能以冷 加工后的钢管机械性能 s 作为成品热煨弯管的 s 指标，而应以冷加工后的钢管机械性能 s 的 75% 作为热煨弯管的 s 指标。根据 GB 502512003输气管道工程设计规范第 4 3 13 条的规定，弯头的曲率半径应大于或 等于其外径的 4 倍，并应满足清管器或检测仪器能 顺利通过的要求。根据 SY / T 52572004油 气输 送用钢制弯管第 3 1 条的规定，弯管的曲率半径 不小于其外径的 5 倍。同时，根据 GB 504702008油气输送管道线路工程抗震 设计规范第 7 1 4 条的规定，需抗震设防的埋地管道，当设置热煨弯头 时，其曲率半径不得小于 6D; 当设置冷弯管时，其曲 率半径不得小于 30D。因此，天然气高压管道的冷弯弯管曲率半径通 常取为 30D，热煨弯管的曲率半径通常取为 6D。根 据式( 3) 计算的壁厚增大系数结果见表 2。壁厚增大系数对弯管壁厚的影响根据 GB 502512003输气管道 工 程 设 计 规 范第 5 3 3 条的规定，弯管的管壁厚度应按下式 计算:4B 27公称直径 / mm最小曲率半径30018D35021D40024D45027D50030D煤 气 与 热 力第 31 卷 第 9 期www watergasheat com表 2 壁厚增大系数计算结果考虑壁厚减薄率的弯管壁厚计算公式如下: 1 b =( 5)1 C6 弯管壁厚的计算本文以敷设在三级地区 ( 强度设计系数 F 取0 4) ，设计压力为 4 0 MPa，管道外径为 406 4 mm， 材质为 L360MB 的城镇天然气高压管道为例进行冷 弯弯管、热煨弯管的壁厚计算。对于 冷 弯 弯 管，L360MB 的 屈 服 强 度 为 360MPa，根据式( 1) 计算得到的直管壁厚为 5 644 mm; 根据式( 2) 及表 2 的结果计算得到的冷弯弯管的壁 厚为 5 700 mm; 考虑到生产加工时的壁厚减薄率， 根据式( 5) 及表 3 的结果计算得到的冷弯弯管的壁 厚为 5 795 mm。对于热煨弯管，L360MB 的屈服 强度应按 360MPa 的 75% 即 270 MPa 考虑，根据式( 1 ) 计算得到 的直管壁厚为 7 525 mm; 根据式( 2 ) 及表 2 的结果 计算得到的热煨弯管的壁厚为 7 901 mm; 考虑到生 产加工时的壁厚减薄率，根据式( 5 ) 及表 3 的结果 计算得到的热煨弯管的壁厚为 8 559 mm。计算得到的弯管的壁厚应根据相关规范的要求进行圆整，同时应与线路直管段的壁厚相匹配。5 壁厚减薄率对弯管壁厚的影响壁厚减薄率是指母管实际壁厚和弯管外弧侧壁 厚之差与母管实际壁厚之比。天然气高压管道进行 弯制时，该管段将受力变形。管道的内侧管壁( 即 弯管的内弧侧) 受压力，管壁由直线形变成圆弧形， 管壁由于受压变短而增厚; 管道的外侧管壁( 即弯 管的外弧侧) 受拉力，管壁同样由直线形变成圆弧 形，管壁由于受拉变长而减薄1。管壁减薄会降低 管道的强度。为保证弯管的强度能够符合要求，则 弯管应具有一定的厚度。壁厚减薄率的数据，一方 面是根据相关规范的要求确定，另一方面是通过理 论分析推导的公式进行计算。5 1 规范要求的经验数据GB 500282006城镇燃气设计规范中要求 弯管的壁厚计算按 GB 502512003输气管道工程 设计规范的要求执行。而 GB 502512003输气 管道工程设计规范没有规定弯管的壁厚减薄率， 只要求弯管最薄厚度不小于直管段的厚度，强度不 低于管材的最小屈服强度即可。目前，SY / T 52572004油气输送用钢制弯管要求弯管的壁厚减薄率不得大于 9% 。5 2 理论公式的计算数据壁厚减薄率的理论计算公式是根据质量守恒原 理，以外侧管壁的减薄量等于内侧管壁的增厚量为 基础推导而出。文献1给出的弯管壁厚减薄率的 计算公式如下:参考文献:1 刘志仁，陶春辉 天然气高压管道弯管壁厚减薄率的确定J 煤气与热力，2011，31( 4) : B04 B05 DC =( 4)2R + D式中 C弯管的壁厚减薄率由此公式可以看出，弯管的壁厚减薄率主要取 决于弯管的曲率半径。曲率半径 R 越大，壁厚减薄 率 C 越小，反之越大。根据式( 4 ) 计算的壁厚减薄