天然氣高壓管道彎管壁厚的計算

摘 要

摘要：通過對GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》、GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》中關(guān)于彎管的相關(guān)要求、壁厚增大系數(shù)、壁厚減薄率等參數(shù)進行分析，確定彎
摘要：通過對GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》、GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》中關(guān)于彎管的相關(guān)要求、壁厚增大系數(shù)、壁厚減薄率等參數(shù)進行分析，確定彎管壁厚的計算方法。
關(guān)鍵詞：高壓管道；彎管；壁厚增大系數(shù)；壁厚減薄率
Calculation of Bend Wall Thickness of Natural Gas High-pressure Pipeline
ZHOU Chun，SHI Rongjian，WANG Yiwen
Abstract：Through the analysis of the relevant requirements for bend in Code for Design of Gas Transmission Pipeline Engineering(GB 50251—2003)and Code for Design of City Gas Engineering (GB 50028—2006)as well as the wall thickness increase coefficient and wall thickness thinning rate，the caleulation method of bend wall thickness is deterrnined.
Key words：high-pressure pipeline；bend；wall thickness increase coefficient；wall thickness thinning rate
1 概述
    天然氣高壓管道經(jīng)常采用彈性敷設(shè)、冷彎彎管和熱煨彎管來實現(xiàn)管道在水平或豎向的轉(zhuǎn)角。本文主要通過對制作彎管的直管壁厚的計算、直管的熱處理狀態(tài)引起的屈服極限的變化、環(huán)向應(yīng)力分布不均勻引起的壁厚增大系數(shù)、彎制過程中引起的壁厚減薄率等因素進行分析，從而確定彎管的計算壁厚。
2 直管壁厚的計算
無論是冷彎彎管還是熱煨彎管均是采用直管彎制而成，因此，要計算彎管的壁厚首先應(yīng)確定直管的壁厚。GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》和GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》中關(guān)于直管的壁厚計算公式是一致的，均是采用彈性失效準(zhǔn)則，以最大剪應(yīng)力理論推導(dǎo)而得。直管壁厚應(yīng)按下式進行計算：
 
式中δ——鋼管計算壁厚，mm
    p——設(shè)計壓力，MPa
    D——鋼管外徑，mm
    σs——鋼管的最低屈服強度，MPa
    φ——焊縫系數(shù)，按規(guī)定選取1.0
    F——強度設(shè)計系數(shù)
3 直管屈服強度對彎管壁厚的影響
    在進行直管壁厚的計算時，屈服強度σs是一個很重要的參數(shù)。管道材質(zhì)不同，其屈服強度則不同。管道交貨的熱處理狀態(tài)不同，其屈服強度也不同。尤其值得注意的是管道交貨的熱處理狀態(tài)。
   GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》第6.4.7條規(guī)定：對于采用經(jīng)冷加工后又經(jīng)熱處理的鋼管，當(dāng)加熱溫度高于320℃(焊接除外)或采用經(jīng)過冷加工或熱處理的鋼管煨彎成彎管時，則在計算該鋼管或彎管壁厚時，其屈服強度應(yīng)取該管材最低屈服強度(σs)的75%。
   GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》第5.1.5條與GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》的第6.4.7條的規(guī)定是一致的。該條文指出：鋼管的冷加工(控軋、冷擴等)，由于應(yīng)變硬化現(xiàn)象和鋼管形變熱處理，管材的屈服強度能提高20%～30%。但由于形變提高的屈服強度會隨著回火溫度的提高而逐漸消失。一般在300～320℃出現(xiàn)一個大的相組織變化，在480～485℃強化的效果基本消失。故規(guī)范強調(diào)冷加工的管材又進行熱處理時，其屈服強度應(yīng)取冷加工管材屈服強度的75%。
   通常，天然氣高壓管道采用符合GB/T 9711.2—1999《石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件第2部分：B級鋼管》質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的鋼管。以L360鋼管為例，該標(biāo)準(zhǔn)中對L360有3種供貨方式，分別為L360NB(正火或形變正火)、L360QB(淬火加回火)和L360MB(形變熱處理)。該標(biāo)準(zhǔn)中的第7.3條注8指出，在對以淬火加回火或形變熱處理狀態(tài)交貨的鋼管進行熱加工成型和(或)隨后進行現(xiàn)場熱處理時會出現(xiàn)力學(xué)性能的不良變化。該標(biāo)準(zhǔn)的第3.3.2條指出，形變熱處理是一種形變過程。在此過程中，最終形變在一定溫度范圍內(nèi)完成，使得材料具有單獨采用熱處理無法達(dá)到或重復(fù)的某些性能。若隨后加熱至580℃以上會降低強度值。
   對于冷彎彎管而言，制作過程沒有采用二次熱處理。因此，管道交貨狀態(tài)而引起的屈服強度變化對其壁厚的計算沒有影響。
   對于熱煨彎管而言，管子煨彎的加熱溫度一般為800～1000℃，對于形變熱處理狀態(tài)的鋼管，熱彎過程必然使其強度有不同程度的降低。因此，對采用形變熱處理鋼管作為母管的熱煨彎管，其壁厚的計算需注意母材的供貨熱處理狀態(tài)。即不能以冷加工后的鋼管機械性能σs作為成品熱煨彎管的σs指標(biāo)，而應(yīng)以冷加工后的鋼管機械性能σs的75%作為熱煨彎管的σs指標(biāo)。
4 壁厚增大系數(shù)對彎管壁厚的影響
根據(jù)GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》第5.3.3條的規(guī)定，彎管的管壁厚度應(yīng)按下式計算：
 
式中δb——彎頭或彎管的管壁計算厚度，mm
    δ——彎頭或彎管所連接的直管段管壁計算厚度，mm
    m——彎頭或彎管的管壁厚度增大系數(shù)
    R——彎頭或彎管的曲率半徑，mm
    D——彎頭或彎管的外徑，mm
    此公式主要是考慮彎管在流體壓力的作用下，產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力沿彎管截面的分布是很不均勻的。產(chǎn)生的最大環(huán)向應(yīng)力在彎管的內(nèi)凹點，該點應(yīng)力比直管產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力大，其增大倍數(shù)稱為內(nèi)壓作用下彎頭的應(yīng)力增大系數(shù)。因此，在計算彎管壁厚時，應(yīng)在直管壁厚的基礎(chǔ)上，考慮一個管壁厚度增大系數(shù)m。系數(shù)m是彎頭的曲率半徑R與外徑D的函數(shù)。曲率半徑R越大，彎頭的管壁厚度增大系數(shù)m越小，彎頭厚度需要的增大量越小，反之越大。
   根據(jù)GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》第4.3.13條的規(guī)定，冷彎彎管的最小曲率半徑見表1。
表1 冷彎彎管的最小曲率半徑
公稱直徑/mm
最小曲率半徑
≤300
18D
350
21D
400
24D
450
27D
≥500
30D
    根據(jù)GB 50251-2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》第4.3.13條的規(guī)定，彎頭的曲率半徑應(yīng)大于或等于其外徑的4倍，并應(yīng)滿足清管器或檢測儀器能順利通過的要求。根據(jù)SY/T 5257—2004《油氣輸送用鋼制彎管》第3.1條的規(guī)定，彎管的曲率半徑不小于其外徑的5倍。同時，根據(jù)GB 50470—2008《油氣輸送管道線路工程抗震設(shè)計規(guī)范》第7.1.4條的規(guī)定，需抗震設(shè)防的埋地管道，當(dāng)設(shè)置熱煨彎頭時，其曲率半徑不得小于6D；當(dāng)設(shè)置冷彎管時，其曲率半徑不得小于30D。
    因此，天然氣高壓管道的冷彎彎管曲率半徑通常取為30D，熱煨彎管的曲率半徑通常取為6D。根據(jù)式(3)計算的壁厚增大系數(shù)結(jié)果見表2。
表2 壁厚增大系數(shù)計算結(jié)果
彎管名稱
彎管曲率半徑R
壁厚增大系數(shù)m
冷彎彎管
30D
1.01
熱煨彎管
6D
1.O5
5 壁厚減薄率對彎管壁厚的影響
    壁厚減薄率是指母管實際壁厚和彎管外弧側(cè)壁厚之差與母管實際壁厚之比。天然氣高壓管道進行彎制時，該管段將受力變形。管道的內(nèi)側(cè)管壁(即彎管的內(nèi)弧側(cè))受壓力，管壁由直線形變成圓弧形，管壁由于受壓變短而增厚；管道的外側(cè)管壁(即彎管的外弧側(cè))受拉力，管壁同樣由直線形變成圓弧形，管壁由于受拉變長而減薄[1]。管壁減薄會降低管道的強度。為保證彎管的強度能夠符合要求，則彎管應(yīng)具有一定的厚度。壁厚減薄率的數(shù)據(jù)，一方面是根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求確定，另一方面是通過理論分析推導(dǎo)的公式進行計算。
5.1 規(guī)范要求的經(jīng)驗數(shù)據(jù)
    GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》中要求彎管的壁厚計算按GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》的要求執(zhí)行。而GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》沒有規(guī)定彎管的壁厚減薄率，只要求彎管最薄厚度不小于直管段的厚度，強度不低于管材的最小屈服強度即可。目前，SY/T 5257—2004《油氣輸送用鋼制彎管》要求彎管的壁厚減薄率不得大于9%。
5.2 理論公式的計算數(shù)據(jù)
壁厚減薄率的理論計算公式是根據(jù)質(zhì)量守恒原理，以外側(cè)管壁的減薄量等于內(nèi)側(cè)管壁的增厚量為基礎(chǔ)推導(dǎo)而出。文獻(xiàn)[1]給出的彎管壁厚減薄率的計算公式如下：
 
式中C——彎管的壁厚減薄率
    由此公式可以看出，彎管的壁厚減薄率主要取決于彎管的曲率半徑。曲率半徑尺越大，壁厚減薄率C越小，反之越大。根據(jù)式(4)計算的壁厚減薄率結(jié)果見表3。
表3 壁厚減薄率計算結(jié)果
彎管名稱
彎管曲率半徑R
壁厚減薄率/%
冷彎彎管
30D
1.64
熱煨彎管
6D
7.69
考慮壁厚減薄率的彎管壁厚計算公式如下：
 
6 彎管壁厚的計算
    本文以敷設(shè)在三級地區(qū)(強度設(shè)計系數(shù)F取0.4)，設(shè)計壓力為4.0MPa，管道外徑為406.4mm，材質(zhì)為L360MB的城鎮(zhèn)天然氣高壓管道為例進行冷彎彎管、熱煨彎管的壁厚計算。
    對于冷彎彎管，L360MB的屈服強度為360MPa，根據(jù)式(1)計算得到的直管壁厚為5.644mm；根據(jù)式(2)及表2的結(jié)果計算得到的冷彎彎管的壁厚為5.700mm；考慮到生產(chǎn)加工時的壁厚減薄率，根據(jù)式(5)及表3的結(jié)果計算得到的冷彎彎管的壁厚為5.795mm。
    對于熱煨彎管，L360MB的屈服強度應(yīng)按360MPa的75%即270MPa考慮，根據(jù)式(1)計算得到的直管壁厚為7.525mm；根據(jù)式(2)及表2的結(jié)果計算得到的熱煨彎管的壁厚為7.901mm；考慮到生產(chǎn)加工時的壁厚減薄率，根據(jù)式(5)及表3的結(jié)果計算得到的熱煨彎管的壁厚為8.559mm。
    計算得到的彎管的壁厚應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求進行圓整，同時應(yīng)與線路直管段的壁厚相匹配。
參考文獻(xiàn)：
[1] 劉志仁，陶春輝.天然氣高壓管道彎管壁厚減薄率的確定[J].煤氣與熱力，2011，31(4)：B04-B05.
 
(本文作者：周春1 時榮劍2 汪宜文1 1.中機國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 江蘇南京 210042；2.東南大學(xué)建筑設(shè)計研究院 江蘇南京 210096)