摘要：匯氣管是天然氣集輸和分配中必不可少的重要設(shè)備之一，具有壓力高、數(shù)量大的特點，因而要求匯氣管的設(shè)計要確保其安全可靠，包括對其壁厚計算公式的正確運用、各個重要設(shè)計參數(shù)的正確理解和準(zhǔn)確計算。為此，以陜京二線京58地下儲氣庫群某10MPa采氣生產(chǎn)匯氣管的設(shè)計為例，論述了開口模壓拔制高壓匯氣管的設(shè)計過程，分析了高壓拔制匯氣管直管段厚度的計算公式，比較了強度計算公式與SW6采用的強度計算公式的不同之處，指出了使用SW6進(jìn)行其直管段壁厚計算存在的弊端；結(jié)合具體拔制工藝，討論了主要設(shè)計參數(shù)的確定，并根據(jù)這些參數(shù)的關(guān)系繪制了具體的開孔補強圖，對實例中的兩個主要支管進(jìn)行了詳細(xì)計算，得出了各個參數(shù)的計算結(jié)果。對油氣長輸管道工程同類匯氣管的設(shè)計具有參考價值。

關(guān)鍵詞：高壓；匯氣管；拔制；安全；設(shè)計；壁厚計算；開孔補強；參數(shù)確定

    在天然氣集輸和長輸管道工程中，需要使用大量匯氣管進(jìn)行天然氣的匯集和分配。作為壓力管道設(shè)備的匯氣管，在筒體開口的結(jié)構(gòu)上有兩種形式，一類是傳統(tǒng)的焊接結(jié)構(gòu)，另一類是開口模壓拔制結(jié)構(gòu)。焊接結(jié)構(gòu)即匯氣管上的開口接管采用無縫鋼管或鍛制加厚接管與筒體焊接，其特點是制造工藝比較成熟、簡單，適用于壓力比較低的匯氣管和壓力容器。拔制結(jié)構(gòu)即對筒體上開口位置以加熱方式用模具在壓力下拔出一個開口接管，接管與筒體是一個整體，其過渡區(qū)為圓弧過渡形式^[1]。對于拔制工藝，主管壁厚不僅要滿足高壓下的強度要求，還要為支管提供所有材質(zhì)并滿足開孔補強，因此，拔制工藝主管的筒體壁厚相對較厚；另外，受拔制水平的影響，開口接管的拔制高度不會太高。但是對于高壓匯氣管，開口模壓拔制結(jié)構(gòu)在外觀、結(jié)構(gòu)受力和焊接接頭缺陷的避免上都優(yōu)于開口焊接結(jié)構(gòu)。為此，以陜京二線京58地下儲氣庫群某10MPa采氣生產(chǎn)匯氣管的設(shè)計為例，介紹開口模壓拔制高壓匯氣管的具體設(shè)計過程，包括主要參數(shù)的計算、壁厚計算公式與GB150內(nèi)壓圓筒計算公式的比較以及重要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定。

    陜京二線京58地下儲氣庫群某10MPa采氣生產(chǎn)匯氣管安裝在地面上，對井場來氣進(jìn)行采收與匯集。匯氣管由主管(DN400)、橢圓形封頭以及1個氣體出口(DN350)、10個氣體進(jìn)口(DN150)和3個壓力檢測口(DN15)組成。主管外徑為426mm，長度為18.6m；氣體出口外徑為356mm，端部直接與外部管道焊接；氣體進(jìn)口外徑為168mm，端部配有單面法蘭，與來氣管道通過法蘭連接。匯氣管工作介質(zhì)為油、氣、水三者混合物(含CO₂)，設(shè)計壓力為10MPa，設(shè)計溫度為80℃。因介質(zhì)中含CO₂，根據(jù)工程設(shè)計經(jīng)驗[23取腐蝕裕量C₂=3mm。由于該匯氣管長徑比較大(18600/400=46.5)，不能像普通臥式容器一樣使用兩個對稱布置的鞍座^[3]，故設(shè)備不帶鞍座，現(xiàn)場安裝在特制的基座之上。

    匯氣管的主管根據(jù)其直徑的大小，可以采用無縫鋼管或鋼板卷制成筒節(jié)組焊而成，該設(shè)計中主管為無縫鋼管，材質(zhì)為16Mn，因此，其焊接接頭系數(shù)取φ=1。由于匯氣管開口是采用模壓成型。因此匯氣管的筒體壁厚應(yīng)由內(nèi)壓下的直管計算壁厚與開口補強計算所需的壁厚兩部分組成，其計算公式應(yīng)按ASME B31.8^[4]或GB 50251《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》^[5]規(guī)定執(zhí)行。另外，部分參數(shù)可參照SY/T 0518—2002《油氣管道鋼制對焊管件設(shè)計規(guī)程》^[6]以及SY/T 0609—2006《優(yōu)質(zhì)鋼制對焊管件規(guī)范》^[7]確定。

    根據(jù)GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》該拔制高壓匯氣管直管段計算壁厚按公式(1)計算：

式中：δ為鋼管計算壁厚，mm；p為設(shè)計壓力，MPa；D為鋼管外徑，mm；σ_s為鋼管的最小屈服強度，MPa；F為強度設(shè)計系數(shù)，按參考文獻(xiàn)[5]中的表4.2.3選取；φ為焊縫系數(shù)；t為溫度折減系數(shù)，溫度小于120℃時取1。

    經(jīng)過單位換算后，式(1)與文獻(xiàn)參考[4]中的直管段計算公式一致。當(dāng)溫度小于120℃、設(shè)計壓力不大于10MPa時，式(1)可簡化為參考文獻(xiàn)[6]中的計算公式(8.2.3)。匯氣管安裝的地區(qū)等級為三級地區(qū)，強度設(shè)計系數(shù)取F=0.5，該值與工藝專業(yè)所選取的強度設(shè)計系數(shù)一致。

    從式(1)可以看出，高壓拔制匯氣管采用的強度計算公式與GB150規(guī)定的普通壓力容器強度計算公式(SW6采用的計算公式)存在差異。主要體現(xiàn)在以下3個方面：

    1) 材質(zhì)16Mn在溫度為80℃，壁厚大于16mm時的屈服強度σ_s=310MPa，故Fσ_s=155MPa，與16Mn在該溫度下的許用應(yīng)力[σ]^t(163MPa)并不是同一個值。

    2) 一般情況下，在進(jìn)行拔制高壓匯氣管設(shè)計時，為了限制管壁厚度，給拔制工藝降低難度，都會在圖樣上注明“匯氣管筒體等的下料尺寸由制造廠決定，但最終成品尺寸應(yīng)滿足圖面要求，拔制成形后，主支管壁厚不得小于圖紙所標(biāo)注厚度”，此時，鋼材的厚度負(fù)偏差可以取C₁=0。然而，在使用軟件SW6進(jìn)行筒體強度計算時，雖然鋼板的厚度負(fù)偏差可以指定為0，但對無縫鋼管的厚度負(fù)偏差，SW6自動取為管子壁厚的12.5%，即C₁=12.5δ_n%，并沒有指定為0的功能。因此，用壓力容器強度計算軟件SW6進(jìn)行拔制高壓匯氣管的計算顯然是不合適的。

    3) 在該設(shè)計實例中，用式(1)計算出主管的計算厚度δ_r=13.74mm，而在相同條件下使用SW6計算出主管的計算厚度δ_r=11.71mm，由此可見，前者的計算厚度比后者的計算厚度大，安全系數(shù)更高。使用SW6進(jìn)行其直管段壁厚的計算存在一定的弊端。支管計算厚度δ_b的計算也存在同樣的問題。

    因此，不宜使用SW6進(jìn)行拔制高壓匯氣管直管段的強度校核。

    因為該匯氣管的設(shè)計壓力為10MPa，在SY/T 0518—2002《油氣管道鋼制對焊管件設(shè)計規(guī)程》使用范圍內(nèi)，支管拔制與開孔補強可遵循本規(guī)范進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的確定。

2.2.1 支管最大拔出壁厚與名義壁厚(δ_nb)

    設(shè)主管的名義厚度為δ_nr，支管名義厚度δ_nb?？紤]到拔制工藝，能拔出支管的最大壁厚為0.758δ_nr。根據(jù)強度計算公式，計算出支管的計算厚度，加上腐蝕裕量后得到支管滿足強度要求的最小厚度，向上圓整取其名義厚度δ′_nb。綜上，支管名義厚度應(yīng)在δ′_nb與0.75δ_nr，之間取值。可以使用假設(shè)方法，取該范圍內(nèi)的某個厚度值進(jìn)行計算，直到支管的名義厚度滿足強度和開孔補強兩方面的要求，最后定為δ_nb。這樣，在有效補強區(qū)內(nèi)，支管壁厚不得小于δ_nb，而在有效補強區(qū)范圍之外，支管壁厚只需取δ′_nb即可。

2.2.2 圓弧過渡區(qū)曲率半徑(R)

    設(shè)d_o為支管外徑，參考文獻(xiàn)[6]中規(guī)定了圓弧過渡區(qū)的曲率半徑最小值為R=0.5d_o，最大值為R=0.10d_o+13mm。這與參考文獻(xiàn)[1]、[4]中關(guān)于圓弧過渡區(qū)的曲率半徑最大最小值的規(guī)定并不矛盾，故設(shè)計過程中遵循該規(guī)定。

2.2.3 支管拔出高度(H_o)

    匯氣管開口的拔出高度必須大于圓弧過渡區(qū)的曲率半徑值與接管端部焊接坡口所需的高度之和，其中接管端部焊接坡口所需的高度h=(δ_nb=1.6)×tg37.5°。另外，由于制造工藝水平不同，不同的制造商對同樣規(guī)格的主管上開同樣直徑的孔，其開口接管拔出高度也不盡相同。根據(jù)對某制造廠拔制工藝水平的咨詢，其拔制工藝為加熱一次拔一次，加熱和拔制的次數(shù)不超過三次，總共能拔出的高度一般不超過60mm。

2.2.4 有效補強高度(H)

    有效補強高度為：。δ_o是翻邊處去除腐蝕裕量后的支管壁厚，在距離主管外徑面高度等于r_o處測量，其為一個實測值，由制造廠的實際拔制工藝情況決定，是制造完成后才能測量到的值，在設(shè)計過程中是不得而知的。因此，在設(shè)計計算時一般采用安全的算法，用支管直管段的有效厚度δ_eb代替δ_o進(jìn)行計算。

2.2.5 支管短節(jié)長度(L)

    當(dāng)匯氣管能拔出的最大高度小于有效補強高度時，需要加一支管短節(jié)，支管短節(jié)的高度L應(yīng)不小于有效補強高度，且不小于150mm^[7]。短節(jié)材料與母管材料相同，為16Mn；短節(jié)壁厚與拔出支管管端壁厚相同。

2.2.6 開孔補強計算

    在以上物理量的基礎(chǔ)上，設(shè)支管去除腐蝕裕量后的支管厚度(有效壁厚)為δ_eb。支管去除腐蝕裕量最后的支管內(nèi)徑為d′_i，主管有效厚度為δ_er，有效補強寬度為w，則δ_eb=δ_nb-C₂，d′_i=d_o-2δ_eb，δ_er=δ_nr=C₂，w=d′_i。在有效補強區(qū)內(nèi)，主管承受內(nèi)壓所需設(shè)計壁厚外的多余厚度形成的面積A₁=d′_i(δ_er-δ_r)；支管承受內(nèi)壓所需最小壁厚外的多余厚度形成的截面積A₂=2H(δ_eb-δ_b)；其他可提供的補強面積A₃=2R(δ_o-δ_b)，如前所述用支管直管段的有效厚度δ_eb代替δ_o進(jìn)行A₃的計算。主管開孔削弱所需要補強的面積A_R=δ_rd′_i。在補強范圍內(nèi)可提供的補強面積A_E=A₁+A₂+A₃，開孔補強條件為A_E≥A_R。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]與參考文獻(xiàn)[6]中的論述、開孔補強面積示意圖及具體設(shè)計參數(shù)的確定，繪制了如圖1所示的開孔補強面積示意圖。從圖1中可以看出：用支管直管段的有效厚度甌代替甌后，對于該拔制高壓匯氣管面積A₃是A₂在R高度內(nèi)的重復(fù)。

    設(shè)滿足強度要求的名義厚度為δ′_n，既滿足強度要求又滿足拔制工藝及補強要求的名義厚度(即最終確定的名義厚度)為δ_n，去除腐蝕裕量后的有效厚度為δ_e。根據(jù)以上論述進(jìn)行計算，得出鋼管的壁厚參數(shù)如表1所示，支管拔制與開孔補強的主要參數(shù)如表2所示。

如前所述，在有效補強區(qū)域之外，接管的名義厚度可以取，為了方便與法蘭頸或外部管道對焊，需要對支管端部進(jìn)行削邊處理，形成與外部連接的焊接坡口，削邊后的最小厚度不得小于強度要求的名義厚度。氣出口的端部坡口如圖2所示。氣進(jìn)口的端部坡口如圖3所示。

 

    壓力檢測口的孔徑很小，無法進(jìn)行拔制，所以采用鍛制加厚接管與主管筒體焊接。

1) 高壓拔制匯氣管采用的強度計算公式與GB150規(guī)定的普通壓力容器強度計算公式不同，前者的計算厚度比后者大，與SW6相比，其直管段壁厚的計算公式更加保守，安全系數(shù)更高。

2) 支管最大拔出壁厚、圓弧過渡區(qū)曲率半徑、支管拔出高度、有效補強高度以及短節(jié)的長度都有相應(yīng)規(guī)定及要求，設(shè)計時須嚴(yán)格遵照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，仔細(xì)考慮它們的取值，確保匯氣管設(shè)計的安全可靠。

3) 主管、支管的名義厚度都是通過在一定范圍內(nèi)(大于)假定一壁厚，計算并觀察結(jié)果是否滿足要求，在不斷的假定與調(diào)整中確定一個最佳值，可以利用計算機善于進(jìn)行重復(fù)性計算的特點，編制相應(yīng)的計算程序，優(yōu)化設(shè)計過程，減少設(shè)計工作強度，縮短設(shè)計周期。

致謝：在項目的設(shè)計階段得到劉海寧工程師的耐心指導(dǎo)，在此表示衷心感謝。

[1] 張有渝，饒威，劉俊.開口模壓拔制高壓匯氣管的設(shè)計與制造[J].天然氣與石油，2007，25(6)：42-43.

[2] 姜放，饒威.酸性環(huán)境中壓力容器用鋼及腐蝕防護新發(fā)展[J].天然氣工業(yè)，1999，19(1)：94-97.

[3] 劉俊，馬東方.大長徑比匯氣管采用雙鞍座的安全可靠性分析[J].天然氣與石油，2007，25(2)：84-85.

[4] The American Society of Mechanical Engineers.ASMEB31～Gas transmission and distribution piping systems[S]，New York：[s.n.]，2007.

[5] 油氣田及管道建設(shè)設(shè)計專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會.GB 50251—2003輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[6] 國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.SY/T 0518 2002油氣管道鋼制對焊管件設(shè)計規(guī)程[S].北京：石油工業(yè)出版社，2002.

[7] 國家發(fā)展和改革委員會.SY/T 0609—2006優(yōu)質(zhì)鋼制對焊管件規(guī)范[S].北京：石油工業(yè)出版社，2006.

 

(本文作者：羅紅梅¹ 高慶春² 劉發(fā)安¹ 白光野¹ 彭志群¹ 1.中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司華北分公司；2.中國石油集團工程設(shè)計有限公司北京迪威爾石油天然氣技術(shù)開發(fā)有限公司)