天然氣高壓管道彎管壁厚減薄率的確定

摘 要

摘要：對(duì)天然氣高壓管道彎管壁厚減薄率的計(jì)算公式進(jìn)行了理論推導(dǎo)，計(jì)算結(jié)果與相關(guān)規(guī)范和工程技術(shù)規(guī)格書的指標(biāo)一致，工程實(shí)踐證明推導(dǎo)的彎管壁厚減薄率計(jì)算公式行之有效。關(guān)鍵詞：高
摘要：對(duì)天然氣高壓管道彎管壁厚減薄率的計(jì)算公式進(jìn)行了理論推導(dǎo)，計(jì)算結(jié)果與相關(guān)規(guī)范和工程技術(shù)規(guī)格書的指標(biāo)一致，工程實(shí)踐證明推導(dǎo)的彎管壁厚減薄率計(jì)算公式行之有效。
關(guān)鍵詞：高壓管道；彎管；壁厚減薄率
Determination of Wall Thinning Rate at Bend of Natural Gas High-pressure Pipeline
LIU Zhiren，TAO Chunhui
Abstract：The calculation formula of wall thinning rate at bend of natural gas high-pressure pipeline is theoretically derived.The calculation result is consistent with the indicators in the related norms and engineering specifications.The practice shows that the derived calculation formula of wall thinning rate is effective.
Key words：high-pressure pipeline；bend；wall thinning rate
1 概述
    在天然氣高壓管道建設(shè)中通常采用彈性敷設(shè)、現(xiàn)場(chǎng)冷彎彎管或熱煨彎管改變管道的走向。通常優(yōu)先采用彈性敷設(shè)，以減小沿程摩擦阻力和增強(qiáng)管道的整體柔韌性。當(dāng)采用彈性敷設(shè)受地形條件限制時(shí)，應(yīng)優(yōu)先使用現(xiàn)場(chǎng)冷彎彎管，冷彎彎管無法實(shí)現(xiàn)管道轉(zhuǎn)向時(shí)使用熱煨彎管。
    為了保證天然氣高壓管道彎管壁厚減薄后仍具有足夠的強(qiáng)度，需要對(duì)管道彎曲后的壁厚減薄率進(jìn)行計(jì)算并限定。目前天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中僅SY/T 5257—2004《油氣輸送用鋼制彎管》規(guī)定熱煨彎管最大壁厚減薄率應(yīng)不大于9%。本文對(duì)天然氣高壓管道彎管壁厚減薄率的計(jì)算公式進(jìn)行理論推導(dǎo)。
2 彎管壁厚減薄率計(jì)算模型
    天然氣高壓管道進(jìn)行彎制時(shí)，管道彎曲段受力變形，彎制前狀態(tài)見圖1，彎制后狀態(tài)見圖2，彎曲段Ⅰ′-Ⅰ′斷面見圖3。管道在彎制過程中，內(nèi)側(cè)管壁受壓力，由于擠壓作用管壁由直線形(如CD段)變成圓弧形(如C′D′段)，管壁由于壓縮變短而增厚；外側(cè)管壁受拉力，由于拉伸作用管壁由直線形(如AB段)變成圓弧形(如A′B′段)，管壁由于拉伸變長而減薄。管壁減薄會(huì)使強(qiáng)度降低，為保證管壁減薄后仍有足夠強(qiáng)度，要求管壁有一定厚度，在彎曲段管壁減薄應(yīng)均勻。
 

在天然氣高壓管道彎制過程中，根據(jù)質(zhì)量守恒可得式(1)。
 
式中φ——彎曲角度，rad
    r——曲率半徑，mm
    D——外直徑，mm
    δ1——彎曲后外側(cè)管壁壁厚，mm
    δ0——彎曲前管道管壁壁厚，mm
根據(jù)式(1)得到天然氣高壓管道彎管壁厚減薄率的計(jì)算公式，見式(2)。
 
式中C——彎管壁厚減薄率
3 天然氣高壓管道彎管技術(shù)要求
   ① 熱煨彎管技術(shù)要求
   根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，彎管的曲率半徑應(yīng)不小于外直徑的4倍，并應(yīng)滿足清管器或檢測(cè)儀器能順利通過的要求。而行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5257—2004對(duì)彎管的定義為“用于在管道中改變介質(zhì)流動(dòng)方向，且彎曲的曲率半徑不小于其母管外直徑5倍的兩端帶直段的圓弧形管件”。由此可見，實(shí)際生產(chǎn)的熱煨彎管，其曲率半徑應(yīng)不小于外直徑的5倍。
    此外，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50470—2008《油氣輸送管道線路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求“在需抗震設(shè)防的埋地管道，不宜設(shè)置彎頭，應(yīng)采用彈性敷設(shè)，且曲率半徑不得小于外直徑的1000倍。當(dāng)需沒置熱煨彎管時(shí)，其曲率半徑不得小于外直徑的6倍”。因此，在天然氣高壓管道設(shè)計(jì)中，GB 50470—2008未實(shí)施前，通常要求熱煨彎管的曲率半徑為外直徑的5倍；GB 50470—2008實(shí)施后，通常要求熱煨彎管的曲率半徑為外直徑的6倍。
   ② 冷彎彎管技術(shù)要求
   根據(jù)GB 50251—2003，現(xiàn)場(chǎng)冷彎彎管的最小曲率半徑見表1，其中的D表示外直徑。
表1 現(xiàn)場(chǎng)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
4 彎管壁厚減薄率計(jì)算及分析
    ① 熱煨彎管壁厚減薄率計(jì)算及分析
    a. 熱煨彎管曲率半徑為外直徑的5倍時(shí)，計(jì)算得其壁厚減薄率為9%。這與SY/T 5257—2004對(duì)熱煨彎管壁厚最大減薄率應(yīng)不大于9%的要求相符，且與國內(nèi)許多高壓管道工程熱煨彎管技術(shù)規(guī)格書要求的壁厚減薄率一致。
    b. 熱煨彎管曲率半徑為外直徑的6倍時(shí)，計(jì)算得其壁厚減薄率為7.7%。這與川氣東送江蘇配套管道一期工程溧宜支線工程技術(shù)規(guī)格書規(guī)定的熱煨彎管壁厚減薄率不大于8%一致。
    ② 冷彎彎管壁厚減薄率計(jì)算及分析
    冷彎彎管曲率半徑為外直徑的18倍時(shí)，計(jì)算得其壁厚減薄率為2.7%。國內(nèi)許多高壓管道工程技術(shù)規(guī)格書并未對(duì)冷彎彎管壁厚減薄率作出明確規(guī)定，僅有川氣東送工程技術(shù)規(guī)格書作出規(guī)定，要求壁厚減薄率不大于3%，計(jì)算結(jié)果與其一致。
5 結(jié)語
    本文推導(dǎo)的天然氣高壓管道彎管壁厚減薄率計(jì)算公式可以方便地確定彎管壁厚減薄率，其計(jì)算結(jié)果與國內(nèi)相關(guān)規(guī)范及已建成的天然氣高壓管道工程技術(shù)規(guī)格書的指標(biāo)一致。彎管生產(chǎn)廠家和工程公司在制作過程中按照計(jì)算結(jié)果進(jìn)行彎管的質(zhì)量控制，相關(guān)產(chǎn)品已投入運(yùn)行多年，運(yùn)行狀態(tài)良好，說明計(jì)算結(jié)果與實(shí)際符合，也證明了本文推導(dǎo)的天然氣高壓管道彎管壁厚減薄率計(jì)算公式行之有效。
 
(本文作者：劉志仁 陶春輝 南京市燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)院有限公司 江蘇南京 210009)