城镇高压天然气管道管材选用及计算分析.pdf

2 0 1 4 焦 第2 期 管道技术 P i p e l i n eT e c h n i q u e 5 般 各 a n d E q u i p m e n t 2 0 1 4 N o ．2 城镇高压天然气管道管材选用及计算分析 冯粉莉 宝鸡市同昌燃气工程设计有限责任公司，陕西宝鸡7 2 1 0 0 0 摘要在城镇燃气管网设计中，高压燃气管道越来越多，文中通过对高压燃气管道设计中的重点问 题进行分析，详细介绍了燃气管道输气压力的确定，管径、管型、管材选择及管道相关设计计算内容，力 求在满足安全的前提下，通过合理选择管材和详细的设计计算分析，尽可能利用高压能源，实现安全设 计并提高工程的经济性。 关键词天然气；管径、管材选择；设计计算书 中图分类号T E 8文献标识码B文章编号1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 4 0 2 0 0 1 1 0 3 S e l e c t i o na n dC a l c u l a t i o nA n a l y s i so fU r b a n H i g hP r e s s u r eN a t u r a lG a sP i p e l i n eM a t e r i a l s F E N GF e n l i B a o j iT o n g c h a n gG a sE n g i n e e r i n gD e s i g nC o ．，L t d ．，B a o j i7 2 1 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t I nt h et o w ng a sp i p en e t w o r kd e s i g n ，h i g hp r e s s u r eg a sp i p e l i n ei su s e dm o r ea n dm o r e ，s oi nt h i sp a p e r ，k e yp r o b l e m si nt h ed e s i g no fh i g h p r e s s u r eg a sp i p e l i n ea r ea n a l y z e di nd e t a i l ．T h eg a sp i p e l i n eg a sp r e s s u r ed e t e r m i n a t i o n ，t h ep i p ed i a m e t e r ，t h ep i p em a t e r i a ls e l e c t i o na n dp i p i n gd e s i g na r ed i s c u s s e dt oc a l c u l a t ea n da n a l y z et h ec o n t e n t ，i no r d e rt om e e tt h es e c u - r i t yu n d e rt h ep r e m i s eo far a t i o n a ls e l e c t i o no fp i p em a t e r i a l sa n dar e a s o n a b l ea n dd e t a i l e dd e s i g nc a l c u l a t i o n ，t om a k eu s eo f h i g he n e r g ya sf a ra sp o s s i b l ea n dt or e a l i z et h es e c u r i t yd e s i g na n di m p r o v et h ee c o n o m yo ft h ep r o j e c ta sar e s u l t ． K e yw o r d s n a t u r a lg a s ；p i p ed i a m e t e ra n dp i p em a t e r i a ls e l e c t i o n ；d e s i g nc a l c u l a t i o n s O引言 天然气管网的设计，不仅要满足用户和工艺设计 的要求，而且要使整个工程的投资最小，尽可能利用 高压能源，使得天然气管网运行更经济、安全、可靠。 高压燃气管道设计最主要的是通过应力计算合理选 择管材，这对实现安全设计、优化能源结构、保护环境 具有重要意义。 1 天然气管网输配系统的压力级制划分 根据城镇燃气设计规范 G B 5 0 0 2 8 2 0 0 6 的 规定，城镇燃气管道的设计压力P 分为7 级。文中探 讨的城镇高压燃气管道设计指的是2 ．5M P a p ≤4 ．0 M P a 之间的高压A 燃气管道和1 ．6M P a p ≤2 ．5M P a 的高压B 燃气管道设计及计算。 2 高压燃气管道输气压力的确定及管径、管型、管材 选择 ． 2 ．1 输气压力的确定 合理地提高输气管道的压力，不仅可以提高管道 的输气能力，同时还提高了管道的储气能力，可以节 省工程投资。 收稿日期2 0 1 3 0 7 0 4收修改稿日期2 0 1 3 1 0 1 0 根据G B 5 0 0 2 8 的规定，高压管道不宜进入四级地 区，四级地区地下燃气管道输配压力不应大于4 ．0 M P a ．在项目规划阶段，便要确定管道的输气压力。 2 ．2 管径的选择 一般根据规划，可确定工程天然气高压管道管 径。如需进行管径的选择计算，则要根据总体用气量 需求及管网布局规划，通过水力计算及管道储气计算 等综合确定。 2 ．3 钢管类型的选择 天然气输送常用的钢管有无缝钢管和焊接钢管。 无缝钢管由于其成型精度低、价格高，一般用于小口 径管道，不适用于输气管线。目前国内外的油气输气 管线主要为焊接钢管。 焊接钢管有螺旋缝焊接钢管和直缝焊接钢管，都 能满足石油天然气工业管线输送系统用钢管 G B ／ T9 7 1 1 2 0 1 1 要求。直焊缝具有焊缝短、焊缝质量易 于控制、成型精度高、残余应力小、错边量小的优点； 螺旋缝钢管具有受力状态好、价格便宜的优点。这两 种焊接钢管在城市燃气建设中都被广泛使用，但在重 要地段和部位，比如穿跨越、弯管等，一般都使用直缝 钢管。可根据管线沿线周围的建设情况，若管道敷设 万方数据 12 P i p e l i n eT e c h n i q u ea n dE q u i p m e n t M a r ．2 0 1 4 的沿线都为三、四类地区，建筑物密集，并且穿跨越量 大，地下管线错综复杂，建议选用直缝焊接钢管；若为 一、二类地区，可采用直缝或螺旋缝钢管。 2 ．4 钢管钢级 高压管道所使用的材质应具有较高的强度和良 好的焊接性能及韧性，其屈强比和冲击韧性等指标应 满足相关规范的要求，以保证输气管道的安全。随着 钢级的提高，钢管的强度提高，但韧性和可焊性下降。 在经济性方面，钢级提高，管壁变薄，钢材的耗量减 小，但钢材的单价上升。 一般地，对于高压输气管道来讲，大口径钢管的 钢级要高一些，而小口径钢管的钢级要低一些。 在设计时必须遵守G B 5 0 0 2 8 第6 ．4 ．4 条规定，三 级和四级地区高压燃气管道材料钢级不应低于L 2 4 5 。 3 设计计算 管道壁厚选择不仅要满足管道强度、稳定性要 求，同时应满足抗御外力破坏的要求。按照G B 5 0 0 2 8 2 0 0 6 的相关计算要求，需要进行直管段管壁厚度计 算。根据G B 5 0 0 2 8 2 0 0 6 第6 ．4 ．1 0 条规定，稳定性 计算、受约束的埋地直管段轴向应力计算和当量应力 校核均需符合输气管道工程设计规范 G B 5 0 2 5 1 的相应规定，同时根据G B5 0 2 5 1 2 0 0 3 第5 ．1 ．1 条第 一款规定，当管道通过地震动峰值加速度等于或大于 0 ．1 9 的地区时，应对管道在地震作用下的强度进行校 核计算。 实例为某工业园区天然气输气管线工程的高压 输气管道，管道规格L 3 6 0 M B 、D 3 2 3 ．9 6 ．4 7 ．1 、 P N 4 0 ，地区等级按三级地区考虑，强度设计系数为 0 ．5 ，管道长度4 9k m ，计算温度2 0 ℃． 3 ．1 壁厚计算 根据G B5 0 2 5 1 2 0 0 3 的5 ．1 ．2 条，直管段壁厚按 式 1 计算 6 瓦p D 硒 1 式中6 为钢管计算壁厚，m m ；p 为设计压力，P 4 ．0 M P a ；D 为钢管外径，D 3 2 3 ．9m m ；c r s 为钢管的最小 屈服强度，o r 。 3 6 0M P a ；F 为强度设计系数，F 0 ．5 ； 币为焊缝系数，币 1 ．0 ；t 为温度折减系数，当温度小 于1 2 0 ℃时，t 1 ．0 。 根据式 1 计算壁厚6 3 ．6 0n l l n ． 综合考虑管径、管材、壁厚级别，该工程管段选取 的壁厚为6 ．4I n l n ，满足计算要求。 3 ．2 稳定性计算 根据G B5 0 2 5 1 2 0 0 3 的5 ．1 ．4 条，输气管道径向 稳定校核应符合下列表达式的要求，当管道埋设较深 或外荷载较大时，应按无内压状态校核其稳定性 A X e 0 ．0 3 D 2 △x 丝塑；一； 3 似2 面万谳 ‘3 W W 。 职 4 ， 8 3 ／1 2 5 式中似为钢管水平方向最大变形量，m ；D 。为钢管 平均直径，m ；肜为作用在单位管长上的总竖向荷载， N ／m ；W ．为单位管长上的竖向永久荷载，N ／m ；职为 地面可变荷载传递到管道上的荷载，％ o ；z 为钢管 变形滞后系数，Z 1 ．5 ；K 为基床系数，K 0 ．0 8 5 ；E 为 钢材弹性模量，E 2 ．1 1 0 5M P a ；，为单位管长上截 面惯性矩，m 4 ／m ；8 。为钢管壁厚，m ；E 。为土壤变形模 量，E 。值应采用现场实测数，当无实测资料时，可按 G B5 0 2 5 l 一2 0 0 3 附录D 的规定选取4 ．8 1 0 6N ／m 2 ． 取土壤密度的计算平均值p 2 ．6 5 1 0 3k g ／m 3 ， 管道管顶埋深 为2 ．0m ，单位管长 L 1k m 覆土体 积按式 6 计算 y [ 譬 D 一詈 譬 ] ￡ 6 根据式 6 计算单位管长附土体积，V 0 ．6 6m 3 ； 单位管长竖向永久荷载W 。 p 增 2 ．6 5 1 0 3 0 ．6 6x 9 ．8 1 ．7 1 1 0 4N ／m ； 作用在单位管长上的总竖向荷载形 W I 职 1 ．7 1 1 0 4N ／m 根据式 5 计算单位管长上截面惯性矩I 0 ．0 0 64 3 ／ 1 2 2 ．1 8 1 0 一m 4 ／m 钢管的平均直径D 。 3 2 3 ．9m m 0 ．3 2 4m ； 根据式 3 计算△x 0 ．0 0 7m o ．0 3 D ，故符合规 范要求。 3 ．3 受约束的埋地直管段轴向应力计算和当量应力 校核 3 ．3 ．1由内压和温度引起的轴向应力计算 根据G B5 0 2 5 1 2 0 0 3 的附录B ，由内压和温度引 起的轴向应力应按式 7 计算 矿L 胪h E a t 1 一t 2 7 o r 。 譬 8 式中o r 。为管道的轴向应力，拉应力为正，压应力为 负，M P a ；／．t 为泊桑比，取0 ．3 ；o r 。为由内压产生的管道 环向应力，M P a ；d 为管子内径，c m ；6 。为管子公称壁厚 c m ；a 为钢材的线膨胀系数，a 1 ．2x1 0 。℃～；t l 为 管道下沟回填时温度，暂定为t 。 1 0 ℃；t 为管道的 万方数据 第2 期冯粉莉城镇高压天然气管道管材选用及计算分析1 3 工作温度，t 2 2 0 ℃． 根据式 8 计算o r h 4 ．0 3 1 ．1 1 ／ 2 0 ．6 4 9 7 ．2 2M P a ，根据式 7 计算o r 。． 0 ．3 9 7 ．2 2 2 ．1 1 0 5 1 ．2 1 0 5 2 0 1 0 5 4 ．3 7M P a ． 3 ．3 ．2 当量应力校核 根据G B5 0 2 5 1 2 0 0 3 的附录B ，受约束热胀直管 段，按最大剪应力强度理论计算当量应力应符合式 9 要求 o r 。 叽一1 9 “ L 0 ．9 0 - 。 9 式中o r 。为当量应力，M P a ；o r 。为管子的最低屈服强 度，M P a ． 根据式 9 计算o r 。 9 7 ．2 2 5 4 ．3 7 4 2 ．8 5M P a ， 0 ．9 0 “ 。 3 2 4M P a ，o r 。 o ．9 0 “ 。，符合规范要求。 3 ．4 管道抗震设计 该工程所在地的设计基本地震加速度值为 0 ．0 5 9 ，抗震设防烈度为6 度。根据G B5 0 2 5 1 2 0 0 3 的第5 ．1 ．1 条第一款规定，当管道通过地震动峰值加 速度等于或大于0 ．1 9 的地区时，应对管道在地震作用 下的强度进行校核。该工程拟建管道地带处于对建 筑抗震有利地段，适宜管道建设，故无需做抗震校核。 3 ．5 结论 综上所述，该工程的高压输气管道 管道规格 L 3 6 0 M B 、D 3 2 3 ．9 6 ．4 、P N 4 0 ，符合规范要求。 4 结束语 城市天然气管网工程设计关系到城市的建设、经 济的发展、居民的日常生活。因此，设计的重点应该 是采用技术成熟、可靠的材料和设备，以确保管道的 长期安全稳定运行。另外，在满足安全要求的前提 下，尽可能利用管网压力，进行详细的设计计算，合理 确定管材及管径，选择合理的线路走向，降低管网工 程造价，提高城市天然气管网运行的可靠性、安全性 及经济性。 参考文献 [ 1 ]王蓉。城镇超高压天然气管道设计探讨。城市公用事业， 2 0 1 1 2 4 3 4 5 ；5 5 ． [ 2 ] 刘威，刘聿天．浅议城市燃气管网的设计选择与设计要 点．科技资讯，2 0 1 1 5 5 8 6 0 ． [ 3 ]王宏妹．设计压力≥2 ．5M P a 高压天然气管道安全设计 问题探讨．城市燃气2 ．5 兆帕以上压力燃气管道设计、施 工、管理研讨会，北京，2 0 1 2 ． [ 4 ]孟涛．城镇高压、次高压燃气管道工程建设探讨．上海煤 气，2 0 1 2 2 7 1 0 ． 作者简介冯粉莉 1 9 7 8 一 ，注册咨询师，工程师，主要从事燃 气工程设计及管理工作。 E m a i l 7 9 0 8 5 5 0 0 1 q q ．t o m 上接第7 页 次应力。由于分析中不做疲劳校核，只 需校核一次局部薄膜应力强度、一次加二次应力强 度，其相应校核准则见表3 。 表3 线性化结果及判定 M P a 优化后的9 0 0 锥形支管座结构满足强度要求，达 到优化目的，能够保证安全投入生产。 3 结束语 锻制嵌入式支管座相对于三通结构，承载能力高， 受相同载荷下的应力水平较低，更具安全性。有限元结 果表明最大应力强度分布在锻制支管座肩部的内壁 处，此处具有最大的应力集中系数，从此点开始支管座 的应力随距离的增加而急速降低，几何结构对称部分应 力分布也相应对称，整体应力分布相对均匀。 通过大量有限元分析，可知结构参数形、职变化 对9 0 0 锥形支管座应力分布几乎没有影响；随着参数A 的增大，支管座最大应力值略有下降，但由于支管座 壁加厚部分长度增加，所需材料增加，从经济角度考 虑不宜采用通过改变参数A 来降低支管座应力水平； 增大0 ，可以有效地降低最大应力值，增强支管座的承 载能力；改变参数R 。、R 对降低应力水平有显著效 果，从加工角度考虑便于实现，从经济角度考虑没有 增加材料成本。 采用正交试验设计法，优化结构参数为A 、尺。、R 、 伊，优化后的支管座内壁转角处最大结构应力减少 1 1 ％，并对优化后的9 0 0 锥形锻制嵌入式支管座进行 了强度校核，结构满足强度要求。 参考文献 [ 1 ]杨林娟．挤压三通的有限元应力分析．南通工学院学报， 2 0 0 1 ，1 7 2 2 9 3 1 ． [ 2 ]郭顺显．支管座的标准编制与工程应用．化工设备与管 道，2 0 0 4 ，4 0 4 4 4 5 ． [ 3 ]王鹏．锻制嵌入式支管座设计及应力分析．第四届全国管 道技术学术会议，黄山，2 0 1 0 ． [ 4 ]王鹏．锻制嵌入式支管座结构优化设计与研究[ 学位论 文] ．南京南京工业大学，2 0 1 0 ． [ 5 ] J B4 7 3 2 - - 1 9 9 5 钢制压力容器一分析设计标准． 作者简介焦程 1 9 8 9 一 ，硕士研究生，主要研究方向为压力容 器可靠性分析。E ．m a i l j a s o n _ n j u t s i n a ．c o n 万方数据