城市天然氣管道工程中彎管和彎頭的選用

摘 要

摘要：分析了管道彈性敷設(shè)方式、熱煨彎管、冷彎彎管的特點，探討了壓力大于1.6MPa和壓力不大于1.6MPa的城市天然氣管道工程中彎管和彎頭的選用。關(guān)鍵詞：天然氣管道；彎頭；彈性敷設(shè)；熱
摘要：分析了管道彈性敷設(shè)方式、熱煨彎管、冷彎彎管的特點，探討了壓力大于1.6MPa和壓力不大于1.6MPa的城市天然氣管道工程中彎管和彎頭的選用。
關(guān)鍵詞：天然氣管道；彎頭；彈性敷設(shè)；熱煨彎管；冷彎彎管
Selection of Bend and Elbow in City Natural Gas Pipeline Project
ZHU Lin，YANG Yonghui，YANG Jiong
Abstract：The elastic installation mode of pipeline as well as the characteristics ot hot-bending bend and cold-bending bend are analyzed.The selection of bend and elbow in city natural gas pipeline project with pressure of more than and equal to or less than 1.6MPa is discussed.
Key words：natural gas pipeline；elbow；elastic installation；hot-bending bend；cold-bending bend
1 概述
   隨著城市天然氣用氣量的不斷增加，為提高城市天然氣輸配管網(wǎng)的輸送能力，各城市加快了天然氣管道尤其是高壓力大管徑天然氣管道的建設(shè)。GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》將燃氣輸配系統(tǒng)的壓力級制分為7級，對于設(shè)計壓力大于1.6MPa的天然氣管道工程設(shè)計，引入了地區(qū)等級概念并規(guī)定了相應(yīng)的強度設(shè)計系數(shù)，同時規(guī)定了管道附件的設(shè)計和選用要求。用來改變管道走向的彎頭、彎管作為重要的管道附件，其形式、材料、強度、加工方式以及敷設(shè)方式對管道工程的設(shè)計和施工有重要影響。筆者根據(jù)GB 50028—2006的要求和實際工程經(jīng)驗，對管道工程中彎頭、彎管的選用進行分析。
2 輸送壓力大于1.6MPa的天然氣管道
   ① 管道敷設(shè)方式
   隨著地形的變化，天然氣管道有時需要改變走向，因此敷設(shè)管道時要相應(yīng)地做豎向彎曲和平面彎曲，管道彈性敷設(shè)是改變走向的形式之一。GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》要求，彈性敷設(shè)管道的曲率半徑應(yīng)滿足管道強度要求，且不得小于鋼管外直徑的1000倍。豎直面上彈性敷設(shè)管道的曲率半徑應(yīng)大于管道在自重作用下產(chǎn)生的撓度曲線的曲率半徑，其曲率半徑應(yīng)滿足式(1)。
 
式中ρ——管道彈性彎曲的曲率半徑，m
    α——管道的轉(zhuǎn)角，(°)
    D——管道的外徑，cm
    管道按水平方向的彈性彎曲敷設(shè)時，管道組焊時依據(jù)設(shè)計要求形成的管道走向；管道按豎直方向的彈性彎曲敷設(shè)時，管道組焊時依據(jù)設(shè)計要求的管溝豎直曲面形成管道走向。對于城市天然氣管道工程，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工和生產(chǎn)管理方面來看，彈性敷設(shè)比較經(jīng)濟合理，但由于曲率半徑要求較大，彈性敷設(shè)的采用受制于地形，比如一般道路的曲率半徑都比較大，隨道路敷設(shè)的天然氣管道采用彈性敷設(shè)方式能避免采用很多彎頭或彎管，施工方便且節(jié)約費用。在遠離主城區(qū)或規(guī)劃城區(qū)的平原敷設(shè)燃氣管道，采用彈性敷設(shè)一般都具備條件，但在障礙物較多的城區(qū)內(nèi)或地形起伏較大的丘陵地帶就較難實現(xiàn)，管道不能隨地形做等埋深的垂直放線彎曲，造成管道懸空或局部埋深不足。為了解決這些問題必須增加土方量，這些地帶可不采用彈性敷設(shè)方式，而選用熱煨彎管或冷彎彎管來改變管道方向。
   ② 熱煨彎管
對于設(shè)計壓力大于1.6MPa的天然氣管道，目前熱煨彎管使用較多。熱煨彎管用碳鋼及低合金鋼無縫鋼管或焊接鋼管通過加熱彎制工藝制作。相對于冷彎彎管，熱煨彎管具有生產(chǎn)效率高、彎曲角度不受限制、成型質(zhì)量好等優(yōu)點。由于管口圓度好，必要的熱處理消除了殘余應(yīng)力，而且壁厚減薄率可以控制到低于10%，因此保證熱煨彎管的質(zhì)量成為業(yè)主等關(guān)注的重點。壁厚減薄率[1]C按照式(2)進行確定。
 
式中C——壁厚減薄率
    δ1——母管實際壁厚的最小值，mm
    δ2——彎管外弧側(cè)最薄處壁厚，mm
    對于設(shè)計壓力大于1.6MPa的天然氣管道，由于要考慮地區(qū)等級對管道壁厚的影響，有時還要考慮清管通球的需要，彎曲角度不受常規(guī)角度限制，可根據(jù)實際情況確定，按照SY/T 5257—2004《油氣輸送用鋼制彎管》制造的彎管均能滿足以上要求。熱煨彎管也有一些缺點：a.制作過程中，會出現(xiàn)外弧側(cè)管壁減薄的情況，因此需要增加母管的壁厚。b.部分橫截面是橢圓形，彎曲段橫截面圓度控制不好會影響通球。c.彎曲段和直管段之間存在加熱溫度過渡區(qū)。d.熱煨彎管需要提前訂貨，因為加工工藝決定其只能在工廠預(yù)制，若訂貨時提供的彎管加工清單有誤或現(xiàn)場情況與圖紙設(shè)計情況不符，則必須要按照實際需要的角度再次到工廠預(yù)制，會耽誤施工工期。因此選擇熱煨彎管必須考慮全面且保證彎管角度準確。
   ③ 冷彎彎管
   冷彎彎管是由彎管加工機現(xiàn)場彎制而成。要保證彎管加工機的最小彎曲半徑大于18倍的管道外徑，根據(jù)應(yīng)變設(shè)計理論，彎曲的半徑由管徑?jīng)Q定。應(yīng)變設(shè)計理論的基本原則是當管道設(shè)計應(yīng)變大于容許應(yīng)變時，則管道失效；當管道設(shè)計應(yīng)變小于容許應(yīng)變時，則管道安全。目前大管徑高壓力天然氣管道一般都采用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》管材，其特點是強度高，但是隨著強度的增加，管材的延展性能下降。冷彎彎管應(yīng)變能力不僅與管徑相關(guān)，而且與管道的變形能力等參數(shù)有關(guān)。設(shè)管道外徑為D，，單位為m。對于采用x系列的管線鋼，研究表明，API 5L X42鋼級以下的管道可以采用3°/D1(最小曲率半徑相當于20D1)準則；X42～X65鋼級的管道可以采用1.5°/D1(最小曲率半徑相當于40D1)準則；X70鋼級或強度更大的管道可以采用1°/D1(最小曲率半徑為60D1)準則。根據(jù)不同材質(zhì)、不同規(guī)格的管線鋼采用的準則能確定出冷彎彎管的最大彎隨角度和最小曲率半徑[2]。
    假設(shè)每根鋼管長12m，由于冷彎彎管兩端要各留2m長的直管段，故彎曲部分的長度為8m。對于X42鋼級以下的管道，冷彎彎管的最大彎曲角度為8×(3°/D1)；對于X42～X65鋼級的管道，冷彎彎管的最大彎曲角度為8×(1.5°/D1)；X70管道或強度更大的管道，冷彎彎管的最大彎曲角度為8×(1°/D1)。
    以北京市六環(huán)路天然氣管道工程為例，外徑為1016mm，設(shè)計壓力為4.0MPa，鋼管的材質(zhì)采用API 5L X70。管道的冷彎彎管可取1°/D1準則，即最小曲率半徑為60D。，最大彎曲角度為8×(1°/D1)≈8°。
3 輸送壓力不大于1.6MPa的管道工程
    對于設(shè)計壓力不大于1.6 MPa的城鎮(zhèn)天然氣管道工程，按照GB 50028—2006的要求，計算管道壁厚時不需要考慮地區(qū)等級對強度設(shè)計系數(shù)的影響，可選用按GB/T 12459—2005《鋼制對焊無縫管件》和GB/T 13401—2005《鋼板制對焊管件》制造的標準化彎頭[3]，曲率半徑一般采用1.5倍外徑。對于以后可能需要清管通球的管道，一般采用曲率半徑大于或等于4倍外徑的彎管。這些彎頭和熱煨彎管是成品，故采購方便且成本較低，但需要采購方根據(jù)需求指定管件的壁厚。
4 結(jié)論
    對于壓力大于1.6MPa的城市天然氣管道，在采用彈性敷設(shè)方式時，由于地形條件的制約，彈性敷設(shè)水平面和豎直面上的曲率半徑受到限制。為了適應(yīng)地形的變化和避開障礙物等，特設(shè)置彎管。其中，冷彎彎管具有靈活、方便、經(jīng)濟等特點，但冷彎彎管的曲率半徑、彎曲角度有限制，且要求施工單位必須具備彎管加工機。熱煨彎管的壁厚和彎曲角度不受限制，生產(chǎn)效率高，適用于集中采購訂貨，但如果施工時彎管角度發(fā)生變化，需要重新到工廠預(yù)制，會耽誤工期并產(chǎn)生經(jīng)濟損失。
   因此，對于壓力大于1.6MPa的城市天然氣管道，如能滿足條件，應(yīng)優(yōu)先采用彈性敷設(shè)，其次考慮冷彎彎管，最后選擇熱煨彎管。對于壓力不大于1.6MPa的城市天然氣管道，可選用標準彎頭，但需注意管道有無通球要求。
參考文獻：
[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.
[2] 邱鳴.城市燃氣管線冷彎彎管角度范圍[J].上海煤氣，2009(5)：14-15.
[3] 李奎.鋼質(zhì)天然氣管道彎頭壁厚設(shè)計[J].油氣儲運，2009，28(11)：24-26.
 
(本文作者：朱林 楊永慧 楊炯 北京市煤氣熱力工程設(shè)計院有限公司 北京 100032)