国内外油气管道线路设计的校核比较.pdf

石油天然 气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 4 年 8 月 第 3 6 卷 第 8 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I A u g ． 2 0 1 4 V o 1 ． 3 6 N o ． 8 国 内外油气管道线路设计 的校核 比较 何祖祥 中国 石油天然气管道工程 有限 公司， 河北廊坊0 6 5 0 0 0 闰志强 中国 石油天然气管道局国际事 业部， 河北廊坊0 6 5 0 0 0 黄超 中国石油天 然气管道工程有限公司， 河北廊坊0 6 5 0 0 0 [ 摘要]油气管道 工程正逐 步走 向区域更广 的国际市场 ，工程技术人 员所采用 的标 准规 范也逐渐 由国家及行 业标准转 向美标或 国际通用技术规范。针 对线路设 计 中所要 求的管道组合 应力的校核 、轴 向稳定 性校核 以 及公路穿越管段的强度校核 ，分析这 3个校核 中国家标准 与国外标准或工 程实践 的计 算公式的差异 ，技术 人 员可根据项 目需要选用合适 的计算模型 ，用于指导计算书及相关设计文件 的编制。 [ 关键词] 油气管道 ；组合 应力；轴 向稳定 ；公路穿越 [ 中图分类号]TE 9 7 3 ． 1 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 4 O 8 0 2 4 1 0 4 当前海外石油市场重要性逐年增加 ，长输油气管道项 目也逐步从 国内走 向国际市场，初步建成了非 洲 、中亚 、南美、中东和亚太 5 个海外油气合作区。项 目业主及监理也从单一的中方而变成外方管理，由 于国外很多业主监理方不认同或者不熟悉中国国家标准，在这些海外项 目的设计 中，仅少数国家允许采用 中国国标。其他国家和地区则要求采用国际较通用的技术标准，如美国的 AS ME、AP I 标准 ，壳牌的 D E P 标 准以及 国际 I S o标 准等 。 在这种背景 下 ，油气 管道设 计所执行 的标 准与规范也 从 以往 的 国家标 准或行 业标 准转 向 国外较 普遍认 可的欧美标准或技术规范。笔者针对国内外标准中管道线路设计所涉及到的组合应力校核、轴向稳定性校 核 、穿越公 路强度 校核等 3 个 计算做 出 比较 ，分析其 中的差 异 。 管道组合应力校核 油气管道按设计 内压产生的环向应力来计算理论壁厚，并根据项 目需要考虑一定 的腐蚀余量 ，在该基 础上选 用钢管壁 厚 ，然后 根据管 道是否受 到轴 向约束而分 别进行 应力校核 。 对 于直线段埋 地管道 ，在嵌入 土壤一定 距离后 就 因为 土壤摩擦 力的积 累而不能 产生轴 向位移 ，可视 为 完 全受约束 。在 内压作 用下管 道轴 向因不能 自由收缩 而产生泊松 应力 ；当温 度变化 时 ，由于管道 不能伸 缩 还将产生温度应力。泊松应力与温度应力组合成轴向应力 。 根据 输油管 道设计 规范 G B 5 0 2 5 3 和 输 气管道设计规范 G B 5 0 2 5 1 _ 1 ] ，对于埋地受约束 段 管道直 管段 ，按 最 大剪 应 力破 坏 理论 计 算 当量 应 力 ，当轴向应力为压应力 负值时 ，计算校核公 式 如表 1所示 。 由于公 式 中符 号 变量 较 多 ，并 且 均 可从 相 应标 准规范中查阅到，若无特殊说 明，文 中对符号变量 不做详 细描述 下 同 。 根据美 国标准 液态烃和其他液体管线输送系 表 1 国标中当量应力校核 注“ S MY S ”表示钢管 的最低屈服强度 。 [ 收稿 日期]2 0 1 4 一o 71 2 [ 作者简介]何祖祥 1 9 7 8一 ，男，2 0 0 1 年武汉大学毕业 ，工程师 ，现主要从事长输管道的线路设计工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ．2 4 2． 油 气管道 工程 2 0 1 4年 8 月 环向应力 热膨胀应 力 轴 向应力 组合应力 s 一 SF一 昂Tl T2 sI 一 s E I I M ／ A S 一 2 VE S LS H ／ 2 ] 。 S } 可等同于 l S 一S H l s 一 ST 一 昂Tl T2 s -- 一 s T o ． 3 S H - - - - R ／ A S 一 1 s s l 或者 E S t S L S H ] 。 ≤0 ． 7 2 SM“ ／ S ≤ 0 ． 9 S MYS ≤ 0 ． 9 S MYS 4o ． 9 S MYS 未明确 未明确 ≤0 ． 9 S MYS ≤ 0 ． 9 S MY S 从 表 l 、2 可 以看 出 ，对于环 向应 力计算 ，国标 中取用 的是钢管 内径 ，美标 中取用 的是 钢管外 径 ，计 算结果会有 细微差别 。 对于组合应力计算，美标与国标的差别主要是轴向应力计算表达式不同。在美标 中，对于埋地直管 段，当不考虑如弹性敷设产生的弯曲应力 M／ z和额外附加应力 ／ A、尺／ A 可以为零时 ，表达式基本 一 致 。另外根据 A S ME B 3 1 ． 4中表 4 0 3 ． 3 ． 1 - 1 ，以及 A S ME] 3 3 1 ． 8中章节 8 3 3 ． 3和 8 3 3 ． 4要 求 ，对 于各 应 力 限用值 的范围也有所不 同 。 2 管道轴向稳定性校核 油气 管道 因为温差 和压力变化将产 生轴 向应力 ，当轴 向应力超过土壤与 管道 间的摩擦力 时 ，多 余 的能 量将使 管道沿一个 阻力最小 的路径移 动 ，由于管 沟侧 壁的被动土压力 限制 了管道 的横 向摆动 ，如果 轴 向压 力过大 ，会使管 道丧失轴 向稳定 而造成破坏或拱 出地 面 。 根据 输油管道设计规范 G B 5 0 2 5 3 第 5 ． 6 ． 3节的要求，对于加热输送 的埋地管道 ，轴向稳定性 验算 应符合下列 表达式 1 、 2 的要求 。 N ≤ 1 N 一 [ t 2 一t 1 4 - 0 ． 5 一 h ] A 2 式 1 中临界轴 向力 的计 算公式是取 自前苏联 的 干线 管道设 计手册 和 干线管道强度及 稳定 性 计算 ，其值按埋 地管道敷设 类型可 分 为 直管 段临界 失稳 的临 界轴 向力 、向上 突起 弯 曲管段 开始 失稳 时的临界轴向力 。根据文献 [ 5 ] 中推导，由于弯曲管道失稳临界轴向力 比直管道要小，所以在实际计算 中，一般是按相对简单的直管段临界轴向力计算公式进行校核，只要满足了直管段的临界轴向力，则必然 能满足弯曲段的临界轴向力要求 。 在美标中对于管道稳定性校核无详细说明，但在壳牌 D E P标准 中有详细要求。以中东地区的一些 项 目为例，外方业主通常会要求对油气管道可能发生纵向失稳的区段进行校核并单独出计算报告，主要包 括 两类计算 ① 对地形起伏较 大地区的突起弯 曲管段验证管 道稳定性 ；② “ 点支撑 缺欠 ”状态 下 即在管 道下沟期 间 ，当管沟 内落 入杂 物 ，沟槽 内突起 造成管 道在该 处局部悬 空 弯 曲，见 图 1 的管 道 进行纵 向失 稳分析。这两类计算采用的方法可参考壳牌技术标准 S h e l l D E P 3 1 ． 4 0 ． 1 0 ． 1 6 2 0 1 3 版 。 对于 “ 点支撑 缺欠 ”状态下管道 的稳定性校 核 ，还有一种 比较常用 的工 程实践 方法 ，即根据 文献 [ 7 ] 中叙述 的计算模 型 ，为避免管 道产生纵 向失稳 所需 的最小 的向下力 由式 3 确定 。 w 一 [ ． e 一 √ ] [ P √ ] c3 ， 式 中 为最小向下力 ，k g ／ m；W 为带介质的管重，k g ／ mP 为轴向应力 ，k g ；△ 为缺欠高度，m； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 8 期 何祖祥 等 国内外油气管道线路设计的校核 比较 E ， 为管道抗弯刚度 ，k g m 2 。 受影 响的管道缺欠 长度 L为 L √ j ㈤ 在设计 阶段 ，通 过假 设 施 工 过 程 中 可 能 存 在 的管 沟 缺 欠 高 度 来 进 行 演 算 ，例 如 在 计 算 中 可 以取 △ 一 0 ． 1 、 0 ． 2 、 0 ． 3 m⋯ 范 围内的离散值 验证管道 在 不 同的缺 欠高 度 下是 否发 生 轴 向失稳 。当管道 的轴 向稳 定性不能得到保证时，就应采取措施来避免，如夯实回填土 、清理管沟或增大管道埋深等措施 。 ／ ＼ ／ 管 道 ＼ 缺欠高度△ 矗 JII ／ ／ ● 拐 点 ． ， ／l ∥。 ■ ▲ 、 ‘ 缺欠长度L 图 1 点缺欠下管道纵向失稳示意图 从上面分析比较得出，国标 中对输气管道的轴向稳定性校核没有规定 ，只对加热输送的油管道轴向稳 定性校核有要求。对于加热输送的油管道 ，由于弯曲管道的失稳临界轴 向力 比直管段要小 ，所以一般只做 直管段的轴向稳定性计算 。 在壳牌 D E P技术标准中，对油气管道都要做轴向稳定性校核，并且根据管道的敷设类型，对地形起 伏较 大地 区的突起弯 曲管 段 、“ 点支 撑缺欠 ”状态下管 道稳定性 要分开计算 。 3 管道穿越公路的强度校核 管道穿越公路可分为无套管穿越、钢套管穿越和混凝土套管穿越。国内等级公路穿越一般采用混凝土 套管穿越，国外项 目多采用钢套管穿越形式。 无套管穿越 ，国内采用的标准 钢质管道穿越铁路和公路推荐做法 S Y／ T 0 3 2 5 _ 8 ] 在技术 内容上基 本等效于美标 A P I 1 1 0 2标准。校核由环 向应力、轴向应力及径向应力所产生的总有效应力是否在管道所 能承受 的应 力范 围内 。 另外校 核公路 、铁 路下穿越 管段焊缝 由于活荷 载 的周 期环 向应 力 、轴 向应 力产 生 的潜 在疲劳 。疲劳校 核是将垂直于管线焊缝的应力分量与该应力许用值 疲劳极限进行 比较，包括环向焊缝和纵向焊缝的疲 劳校核 。 钢套管 壁厚 的取值 ，可 直接按 钢 质管道 穿越 铁 路 和公路 推荐 做法 S Y／ T 0 3 2 5 规 范 中附 录 C表 中穿越 铁路 的套 管最小壁 厚进行选 择_ g ] 。 对 于混 凝土套 管穿越 ，套 管上方填 土产生 的垂直线 荷载 恒 载计算式 为口 q 1 1 H D 5 式中q 为垂直线荷载，k N／ m； 7 为土壤容重，k N ／ m3 ； H 为套管顶土层厚度，m；D为套管外径，I l l_ 。 车辆产生 的活荷载 q 活 为 q活 一 [ O ． 4 7 8 ] D ㈣ 式中 ， 为冲击系数 ，可取 1 ． 5 ； P为集中荷载，汽车单轴重量，k N； r 为两后轴的水平距离，m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 油 气管道工程 2 0 1 4 年 8 月 根 据 公路桥 涵设计通用规 范 q一 1 ．2 q l 1 ． 4 q a J T G D 6 0 第 4 ． 1 ． 6条 ，混凝 土套管承载能力极 限状态组合 q 为 将计算 的承载力与所选 用的钢筋混凝 土套 管的破坏荷载 进行 比较 ， 否满 足强度要 求 。 4 结语 7 以判 断所选用 的钢筋 混凝 土套管是 综上所述，钢管组合应力校核国内外标准基本上是殊途 同归，只是公式表达形式和应力限值要求略有 不同；管道的轴向稳定性校核采用不同的计算方法，但是出发点基本一致 ，需验算直管段和突起弯曲段的 轴向稳定性 ；管道穿越公路需按是否采用套管及选用套管类型分别进行校核，国外项 目一般验算无套管的 钢管强度与焊 缝是否满足要求 。若是钢套管穿越 ，则根据相应标 准直接选择钢套 管的规格 。 在 实际应用 中 ，设 计人员要根据 项 目特点和业 主监理的要求选用合适 的标准 和计算方 法 ，首 先应满 足 项 目所在 国的标准或规范 ，若 项 目所在 国无 系统 的标准规 范 ，则通 常参照执 行 A P I 、AS ME及通 用 的石 油 公司的企业技术规范。避免由于标准认知与习惯不同而造成设计文件的反复修改而延长文件审查时间。 随着我 国石 油国际化进程 的加快 ，越来越多 的海 外项 目需要 国内工 程技术人 员来 承担 ，相关 技术人 员 在接触 国际标 准 的过程 中 ，如何更好地学 习 、理解和应用好 欧美系列标 准 ，是迫 切需要探 讨 和解 决 的现实 问题。只有学好、用好国际标准，才能在工程建设过程中少走弯路，在单独面对跨 国公司的国际石油工程 时 ，才 能具备 更强 的技 术竞争力 。 [ 参考文献] [ 1 ]GB 5 0 2 5 1 2 ∞6 ，输气管道设计规范 [ S ]． E e l G B 5 0 2 5 3 2 0 0 6 ，输油管道设计规范 [ S ]． [ 3 ]AS ME B 3 1 ． 4 2 0 1 2 ，液态烃和其他液体管线输送系统 [ S ]． [ 4 ]AS ME B 3 1 ． 8 2 0 1 2 ，输气和配气管道系统 [ s ]． [ 5 ]潘家华 ，郭光臣，高锡祺 ．油罐及管道的强度设计 [ M]．北京 石油 工业出版社 ，1 9 9 3 ． 2 8 8 2 9 2 r 6 ]S h e l l DEP 3 1 ． 4 0 ． 1 0 ． 1 6 ，Up h e a v a l Bu c k l i n g o f Pi p e l i n e s r S ] ． [ 7 ]P a l me r A C ．D e s i g n o f S u b ma r in e P i p e l i n e s a g a i n s t Up h e a v a l B u c k l i n g[ J ]．O TC -- 6 3 3 5 ，1 9 9 0 ． E 8 3 S Y／ T 0 3 2 5 2 0 0 1 ，钢质管道穿越铁路和公路推荐做法 [ s ]． [ 9 ]G B 5 0 4 2 3 一 一 2 0 0 7 ，油气输送管道穿越工程设计规范 [ s ]． [ 1 o l J T G D 6 0 2 0 0 4 ，公路桥涵设计通用规范 E s 3． [ 编辑] 黄鹂 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m