天然气高压管道弯管壁厚的计算

天然气高压管道弯管壁厚计算

2021-11-21周春时荣剑汪宜文

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摘要：通过对GB50251—2003?输气管道工程设计标准?、GB

50028—2006?城镇燃气设计标准？中关于弯管相关要求、壁厚增大

系数、壁厚减薄率等参数进展分析，确定弯管壁厚计算方法。关键词：高压管道；弯管；壁厚增大系数；壁厚减薄率

CalculationofBendWallThicknessofNaturalGas

High-pressurePipelineZHOUChun，SHIRongjian，WANGYiwenAbstract：Throughtheanalysisoftherelevantrequirements

forbendinCodeforDesignofGasTransmissionPipeline

Engineering(GB50251—2003)andCodeforDesignofCity

GasEngineering(GB50028—2006)aswellasthewall

thicknessincreasecoefficientandwallthicknessthinning

rate，thecaleulationmethodofbendwallthicknessis

determined.Keywords:high-pressurepipeline；bend；wallthickness

increasecoefficient；wallthicknessthinningrate

1概述天然气高压管道经常采用弹性敷设、冷弯弯管与热煨弯管来实现

管道在水平或竖向转角。本文主要通过对制作弯管直管壁厚计算、直

第1页管热处理状态引起屈服极限变化、环向应力分布不均匀引起壁厚增大系数、弯制过程中引起壁厚减薄率等因素进展分析，从而确定弯管计算壁厚。2直管壁厚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，要计算弯管壁厚首先应确定直管壁厚。GB50251—2003?输气管道工

程设计标准?与GB50028—2006?城镇燃气设计标准？中关于直管

壁厚计算公式是一致，均是采用弹性失效准那么，以最大剪应力理论

推导而得。直管壁厚应按下式进展计算：式中6——钢管计算壁厚，mmp——设计压力，MPaD 钢管外径，mmQs——钢管最低屈服强度，MPaF——强度设计系数3直管屈服强度对弯管壁厚影响在进展直管壁厚计算时，屈服强度气是一个很重要参数。管道材质不同，其屈服强度那么不同。管道交货热处理状态不同，其屈服强度也不同。尤其值得注意是管道交货热处理状态。GB50028—2006?城镇燃气设计标准?第6.4.7条规定：对于采用经冷加工后又经热处理钢管，当加热温度高于320笆（焊接除外）或采用经过冷加工或热处理钢管煨弯成弯管时，那么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（。）75%。sGB50251—2003?输气管道工程设计标准?第5.1.5条与GB50028—2006?城镇燃气设计标准?第6.4.7条规定是一致。该条文指出：钢管冷加工（控轧、冷扩等），由于应变硬化现象与钢管形变热处理，管材屈服强度能提高20%〜30%。但由于形变提高屈服强度会随着回火温度提高而逐渐消失。一般在300〜320°C出现一个大相组织变化，在480〜485C强化效果根本消失。故标准强调冷加工管材又进展热处理时，其屈服强度应取冷加工管材屈服强度75%。一1999?石油天然气工业输送钢管交货技术条件第2局部:B级钢管？质量标准钢管。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）与L360MB（形变热处理）。该标准中第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钢管进展热加工成型与（或）随后进展现场热处理时会出现力学性能不良变化。该标准第3.3.2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到达或重复某些性能。假设随后加热至580C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屈服强度变化对其壁厚计算没有影响。对于热煨弯管而言，管子煨弯加热温度一般为800〜1000C，对于形变热处理状态钢管，热弯过程必然使其强度有不同程度降低。因此，对采用形变热处理钢管作为母管热煨弯管，其壁厚计算需注意母

材供货热处理状态。即不能以冷加工后钢管机械性能Qs作为成品热煨弯管气指标，而应以冷加工后钢管机械性能七75%作为热煨弯管气指标。4壁厚增大系数对弯管壁厚影响根据GB50251—2003?输气管道工程设计标准?第5.3.3条规定，弯管管壁厚度应按下式计算：式中6b——弯头或弯管管壁计算厚度，mm5——弯头或弯管所连接直管段管壁计算厚度，mmm——弯头或弯管管壁厚度增大系数R——弯头或弯管曲率半径，mmD 弯头或弯管外径，mm此公式主要是考虑弯管在流体压力作用下，产生环向应力沿弯管截面分布是很不均匀。产生最大环向应力在弯管内凹点，该点应力比直管产生环向应力大，其增大倍数称为内压作用下弯头应力增大系数。因此，在计算弯管壁厚时，应在直管壁厚根底上，考虑一个管壁厚度增大系数m。系数m是弯头曲率半径R与外径D函数。曲率半径R越大，弯头管壁厚度增大系数m越小，弯头厚度需要增大量越小，反之越大。根据GB50251—2003?输气管道工程设计标准?第4.3.13条规表1冷弯弯管最小曲率半径定，冷弯弯管最小曲率半径见表表1冷弯弯管最小曲率半径公称直径/mm最小曲率半径3管

<300 18D35021D40024D45027D>50030D根据GB50251-2003?输气管道工程设计标准?第4.3.13条规定，弯头曲率半径应大于或等于其外径4倍，并应满足清管器或检测仪器能顺利通过要求。根据SY/T5257—2004?油气输送用钢制弯管?第3.1条规定，弯管曲率半径不小于其外径5倍。同时，根据GB50470—2021?油气输送管道线路工程抗震设计标准?第7.1.4条规定，需抗震设防埋地管道，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，天然气高压管道冷弯弯管曲率半径通常取为30D，热煨弯管曲率半径通常取为6D。根据式(3)计算壁厚增大系数结果见表2。表2壁厚增大系数计算结果弯管名称弯管曲率半径R壁厚增大系数m冷弯弯管30D热煨弯管6D5壁厚减薄率对弯管壁厚影响壁厚减薄率是指母管实际壁厚与弯管外弧侧壁厚之差与母管实际壁厚之比。天然气高压管道进展弯制时，该管段将受力变形。管道内侧管壁（即弯管内弧侧）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；管道外侧管壁（即弯管外弧侧）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强度。为保证弯管强度能够符合要求，那么弯管应具有一定厚度。壁厚减薄率数据，一方面是根据相关标准要求确定，另一方面是通过理论分析推导公式进展计算。GB50028—2006?城镇燃气设计标准?中要求弯管壁厚计算按GB50251—2003?输气管道工程设计标准?要求执行。而GB

50251—2003?输气管道工程设计标准?没有规定弯管壁厚减薄率，

只要求弯管最薄厚度不小于直管段厚度，强度不低于管材最小屈服强

度即可。目前，SY/T5257—2004?油气输送用钢制弯管?要求弯管壁厚减薄率不得大于9%。壁厚减薄率理论计算公式是根据质量守恒原理，以外侧管壁减薄量等于内侧管壁增厚量为根底推导而出。文献［1］给出弯管壁厚减薄率计算公式如下：式中C——弯管壁厚减薄率由此公式可以看出，弯管壁厚减薄率主要取决于弯管曲率半径。曲率半径尺越大，壁厚减薄率C越小，反之越大。根据式（4）计算壁厚减薄率结果见表3。表3壁厚减薄率计算结果

弯管名称弯管曲率半径R壁厚减薄率/%冷弯弯管30D热煨弯管6D考虑壁厚减薄率弯管壁厚计算公式如下:6弯彳'壁厚计算6弯彳'壁厚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4.0MPa,管道外径为406.4mm，材质为L360MB城镇天然气高压

管道为例进展冷弯弯管、热煨弯管壁厚计算。对于冷弯弯管，L360MB屈服强度为360MPa，根据式(1)计算得到直管壁厚为5.644mm；根据式(2)及表2结果计算得到冷弯弯管壁厚为5.700mm；考虑到生产加工时壁厚减薄率，根据式(5)及表3结果计算得到冷弯弯管壁厚为5.795mm。对于热煨弯管，L360MB屈服强度应按360MPa75%即270MPa考虑，根据式(1)计算得到直管壁厚为7.525mm；根据式(2)及表2结果计算得到热煨弯管壁厚为7.901mm；考虑到生产加工时壁厚减薄率，根据式(5