城市天然气管道钢管壁厚的选择[1]

以钢管焊缝检测为例，采用电视成像技术可对 焊缝进行全程射线探伤和超声波探伤。因此，ＧＢ
５０２５ｌｑ００３《输气管道工程设计规范》条文说明指
出，在以往的输气管道强度计算时，由于制管水平、 施工焊接等方面缺乏严格的要求，因此在计算中要 考虑一个小于ｌ的焊缝系数以确保输气安全，这实
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盯。．一——由热胀弯Ｉ矩产生的最大环应力，
ＭＰａ
盯。——材料的强度极限，ＭＰａ 风——环向应力增强系数 盯。——热胀弯矩产生的环向应力，ＭＰａ ｒ——弯头截面平均半径，ｍ 尺——弯头曲率半径，Ｉｎ Ａ——弯头参数 ６。——弯头壁厚，ｉｎ 肘。——弯头的热胀弯矩，ＭＮ·ｍ
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表２土壤腐蚀性分级
项目
电阻率 美闻 ／（Ｉｌ· 苏联
Ｉｎ） 中国
极强 ＜２０ ＜５
腐蚀等级
强
中
弱
２０～４５ ４５～６０ ６０～１００
５～１０ １０～２０ ２０一１００
＜２０ ２０～５０
＞５０
极弱
＞ｌｏｏ
２００７年，乌鲁木齐市天然气中压管道防腐层和 防腐状况评估数据显示，测点覆盖全市所有干线，共 ４８处测点，没有强腐蚀性土壤；中等腐蚀性土壤的 测点有５处，占测点总数的１０．４２％；弱腐蚀性土壤 的测点有４３处，占测点总数的８９．５８％。测试结果 说明市区土壤主要属弱腐蚀性土壤。
盯ｏ＝脚ｒ盯。
（５）
盯。．Ｒ ２盯。＋盯。．。。＜ｏｒｂ
（６）
盯。．一＝风ｏｒＲ
（７）
岛＝·．８【·一（素）２］（｛）３
（８）
Ａ：孥
（９）
广
盯盯Ｒ。２：１一 学
（ｋ 向ｌｕ，）
式中ｏｒ。——材料的许用应力‘３１，ＭＰａ 丁——温度折减系数，温度＜１２０ ｏＣ时，取１．０ 盯。．。——由内压和温差作用下的弯头组合应 力，ＭＰａ
道的钢材耗量和确保运行安全。这说明采用ＧＢ／Ｔ
９７１１．１ｑ００６标准作为钢管制造工艺要素的控制
条件，符合钢管选择“技术性、经济性、安全性”统一 的优化原则。
１．２较宽的应用领域 采用ＧＢ／Ｔ ９７１１．１—２００６《石油天然气工业输
送钢管交货技术条件》生产的钢管应用领域较宽，
可适用于石油、天然气等不同介质，其技术条件覆盖 螺旋缝双面埋弧焊钢管、高频直缝焊钢管和无缝钢 管。 １．３制造工艺
１输气钢管制造技术的进步
１．１标准进步
根据ＧＢ ５０２５１ｑ００３《输气管道工程设计规
范》，为保证输气管道用钢管技术先进、安全可靠， 我国采用ＧＢ／Ｔ ９７１１．１—２００６《石油天然气工业输 送钢管交货技术条件》制造钢管。在钢管材料的机 械性能、化学成分、钢管的几何尺寸、焊缝要求、水压 试验、无损探伤等方面的技术要求都与ＡＰＩ Ｓｐｅｃ５Ｌ 标准一致。采用上述标准制造的钢管，能够节省管
韩 正，等：城市天然气管道钢百度文库壁厚的选择
第３０卷 第２期
际上就增加了管道工程的钢材用量。现在我国钢管 制造技术已有较大的提高，特别指出ＧＢ／Ｔ ９７１１．１ 标准是参照美国ＡＰＩ Ｓｐｅｃ５Ｌ标准制定的，两者技术 要求基本一致。ＧＢ ５０２５ｌ＿２００３又根据国外和国 内的有关标准规定，提出严格的施工、焊接、检验要 求，以确保管道的安全运行。故ＧＢ ５０２５１－２００３规 定，不再考虑由于焊接所致的应力变化因素，规定在 强度计算中焊缝系数为１。
３钢管计算壁厚与强度校核
３．１钢管计算壁厚
根据ＧＢ ５００２８－－２００６（（城镇燃气设计规范》，对
于高压和次高压室外钢质燃气管道直管段，计算壁
厚按式（１）计算…。
式中卜６钢＝管苏计算壁厚，ｍｍ
（１）
ｐ——设计压力，ＭＰａ Ｄ——钢管外径，ｍｍ ｏｒ。——钢材最低屈服强度，ＭＰａ
卜强度设计系数 妒——焊缝系数，取１．０
式中 ｃ－开槽施工土压力系数，一般取１．２
ｄｉｔｉｏｎ，ａｎｄ ｃｈｅｃｋ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｏｆ ｗａｌｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｆｏｒ ｃｉｔｙ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ ｐｉｐｅ－
ｌｉｎｅ ａｒｅ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｅｘａｍｐｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔ ａｒｅ矛ｖｅｎ．
①直管段当量应力校核 直管段轴向应力与环向应力组合的当量应力校 核按下式计算Ｉ ２｜。
矿ｌ－妒。＋Ｅａ（ｔ１一ｔ２）
（２）
ｏｒｎ２＝—匹—
Ｌ （ ｊ ３） ，２ ． ６
式中们——管道的轴向应力，ＭＰａ 弘——泊松比，取０．３ ＩＴ。——由内压产生的管道环向应力，ＭＰａ Ｅ——钢材的弹性模量，ＭＰａ ａ——钢材的线膨胀系数，℃’１ ｔ．——管道回填时的环境温度，℃
韩正，等：城市天然气管道钢管壁厚的选择
第３０卷第２期
，ｂ——弯头截面惯性矩，ｍ４ 计算满足式（６）即符合要求。 以上仅仅是对输气管道的直管段、弯头在内压 和温度作用下的强度校核，要选择管道壁厚还必须 结合埋地管道在土载荷、车辆载荷共同作用下的受 力状况进行校核。 ③燃气管道径向稳定校核［２］ 燃气管道径向稳定校核按下式计算。
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煤气与热力
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乌鲁木齐市燃气管网中局部出现水介质影响的 情况一般有两种：施工中带入的水暂时对管网产生 影响或是输气上游脱水装置暂时不达标导致水分偏 高，不具备长时间对管网产生腐蚀的条件。目前整 个管网已采取了阴极保护措施。运行逾１０年来，对 管道内腐蚀进行观察，只发现点状的局部腐蚀。
对于管道水腐蚀，ＧＢ ５０２５１＿２００３《输气管道 工程设计规范》在条文说明中作了说明：一般情况 下Ｔ业天然气经过硅胶脱水后对钢材无腐蚀，腐蚀 试样仍保持原来金属光泽，腐蚀率几乎为０，表明无 水条件下钢材的腐蚀难以产生。另外，当燃气管道 及其附件已按国家现行的《钢质管道及储罐防腐蚀 控制工程设计规范》和《埋地钢质管道强制电流阴 极保护设计规范》的要求采取了防腐措施时，不应 再增加管壁的腐蚀裕量。
明指出，关于土壤的腐蚀性，我国还没有统一的方法 和标准来划分。目前国内外对土壤的研究和统计表 明，土壤电阻率、透气性、湿度、酸度、盐分、氧化还原 电位等都足影响土壤腐蚀性的因素，这些因素相互 联系和相巧影响，很难找出它们之间直接的、定量的 相关性。因此，国内外基本上采用土壤电阻率来对 土壤的腐蚀性进行分级。土壤腐蚀性分级见表２。
卜钢管内径，ｍｍ ｔ：——管道实际运行温度，℃
６。——管子的公称壁厚，ｍｍ
当量应力按最大剪应力理论校核，应满足式
（４）要求。
ｏ－。＝ｏ－。一ｏ－ｌ＜０．９０－。
（４）
式中盯。——直管段当量应力，ＭＰａ
②弯头的组合应力计算‘２１
当弯头所受的环向应力盯。小于许用应力０ｒｏ 时，组合应力ｏｒ。应按下列公式计算。
另外，制管工艺中利用钢管水压强度试验释放 钢管焊缝｝二的焊接应力，效果直接且显著，避免钢管 焊缝囚应力集中造成损坏。 １．４防腐保护技术
目前钢管外壁防腐多采用３ＰＥ防腐结构，使得 防腐效果更加可靠，可直接降低钢管外腐蚀程度。 １．５钢管壁厚公差控制
虽然按ＧＢ／Ｔ ９７１１．１－２００６《石油天然气工业 输送钢管交货技术条件》生产制造的材质相同的无 缝钢管、螺旋缝双面埋弧焊钢管或高频直缝焊钢管 在性能上没有本质的区别，但是在壁厚公差的控制 上区别较大。无缝钢管由于制造工艺的限制，擘厚 存在厚薄不均的现象，壁厚的正偏差、负偏差都较 大；而螺旋缝双面埋弧焊钢管、高频直缝焊钢管均由 钢板成型，其壁厚偏差仅取决于钢板的公差控制，壁 厚偏差易控制，偏差可控制在较小的范围内。 １．６材质选择
因此，本文钢管壁厚的设计校核暂不考虑内、外 腐蚀对钢管壁厚的影响。 ２．４钢管壁厚优化的尝试
乌鲁木齐市燃气管道前期建设因钢管制造、材 质、防腐等因素的限制，城市中压、次高压管道当公 称直径为１５０～２００ ｍｍ时采用无缝钢管（２００１年后 改用ＰＥ管），当公称直径为３００～６００ ｍｍ时采用螺 旋缝双面埋弧焊钢管，钢管壁厚多选择厚壁系列。 随着国内钢管制造标准、工艺技术水平的不断进步， 我们对钢管的认识也在与时俱进，尝试从理论和实 际的应用中论证钢管壁厚优化的可行性。
考虑地Ⅸ温差对钢管性能的影响，北方地区燃 气输送管道材质宜采用２０号碳素钢、Ｌ系列低合金 钢。
２鸟鲁木齐市管道燃气概况
２．１ 建设规模 乌鲁木齐市管道燃气工程１９９１年开工建设，
１９９４年曾使用液化石油气混空气作为气源，１９９７年 吐哈油田正式向乌鲁木齐市供应天然气，标志着鸟 鲁木齐市管道天然气进入快速发展阶段。２００４年 由准噶尔气田引入第二气源后，乌鲁木齐市天然气 管网建设不断拓展，供气区域不断扩大。管道天然 气已覆盖城市规划区域的居民、商业、车用、工业等 用户。２００９年由彩南油田引入的第三气源即将启 用。
目前已有管道天然气居民用户约７０×１０４户， 燃气锅炉用户蒸发量合计ｌ １１０ ｔ／ｈ，商业用户约 ３ ０００户，工业用户约２０户，天然气加气站１５座。
全年用气鼙达４．８×１０８ ｉｎ３／ａ。 ２．２压力级制
乌鲁木齐市天然气管道压力级制和材质见表
１。 表１ 乌鲁木齐市天然气管道压力级制和材质
序口．
名称
关键词：城镇燃气管道；壁厚；钢管 中图分类号：ＴＵ９９６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—４４１６（２０１０）０２—０Ａ２２—０６
Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｗａｌｌ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ Ｐｉｐｅ ｆｏｒ Ｃｉｔｙ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ
ＨＡＮ Ｚｈｅｎｇ， ＪＩＡＮＧ Ｓｈｕ—ａｎ， ＳＵＮ Ｑｉｎｇ—ｋｕｉ， ＣＨＥＮ Ｄｕｎ
３．２钢管内力作用下的强度校核 根据ＧＢ ５００２８－－２００６《城镇燃气设计规范》的
要求，下列情况应符合现行国家标准ＧＢ ５０２５ｌ一 ２００３（（输气管道工程设计规范》的相应规定：受约束 的埋地直管段轴向应力计算和轴向应力与环向应力 组合的当量应力校核，受内压和温差共同作用下弯 头的组合应力计算，管道附件与没有轴向约束的直 管段连接时的热胀强度校核，弯头和弯管的管壁厚 度计算，燃气管道径向稳定校核。
ｌ 高压Ｂ燃气管道
压力／ＭＰａ （１．６，２．５］
材质 Ｄ６０
２ 次高压Ａ燃气管道 （０．８，１．６］
Ｌ２４５～Ｌ３６０
３ 次高压Ｂ燃气管道 （０．４，０．８］
２０号钢
４ 中ＪＫ Ａ燃气管道 （０．２，０．４］ ２０号钢、ＳＰＥ、ＰＥ８０
５
低压燃气管道
（０，０．０１）
Ｑ２３５Ｂ、ＰＥ８０
２．３土壤的腐蚀性分析 ＧＢ ５００２８－－２００６（城镇燃气设计规范》条文说
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｉｔｙ ｇａｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅ； ｗａｌｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ； ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ
，
城市燃气管网是燃气经营企业最大也是最基础 的资产，研究和掌握输气钢管材料的性能及安全运 行ｒＴ况，合理选择钢管的肇厚，是燃气设计、建没、运 行管理企业共同关注的课题。近年来国内石油天然 气工业输送钢管制造技术、规范标准的提升，为我们 探索输气管道壁厚优化提供了有力的技术支持。本 文针对城市燃气管道的安全要求，探讨在钢管材质、 壁厚上实现技术性、安全性、经济性的统一。
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｃｏｄｅ ａｎｄ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ
ｆｏｒ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｉｐｉｎｇ ｕｓｅｄ ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ａｎｄ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎ—
第３０卷第２期 ２０１０年２月
煤气与热力
ＣＡＳ＆ＨＥＡＴ
Ｖ０１．３０ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０１０
城市天然气管道钢管壁厚的选择
韩 正１， 姜述安１， 孙清魁１， 陈 盾２
（１．新疆燃气集团有限责任公司，新疆鸟鲁木齐８３００００；２．新疆大学，新疆鸟鲁木齐８３００００）
摘要： 结合工程实际，根据近年来国内石油天然气工业输送钢管制造技术、规范标准的进 步，论证了城市天然气管道钢管壁厚的选择条件、强度与刚度校核方法，给出了计算实例和经济效 益评价。