城市天然气高压管道设计的若干问题

第卷第期煤气与热力2711Vol.27No.II2007年11月GASHEAT Nov.2007燃气输配与储运城市天然气高压管道设计的若干问题杨罗，姚剑锋吴小平2,,中国市政工程西南设计研究院，四川成都宁波兴光煤气集团公司，16100812浙江宁波315010摘要针对城市天然气高压管道设计中管道材质的选择、管道疲劳校核以及管道弹性敷设临界角的计算等问题，提出了解决方法关键词天然气高压管道；管道材质；疲劳校核；弹性敷设中图分类号文献标识码文章编号TU996A1000-4416200711-0001-04Some Problemsabout Designof UrbanNatural GasHigh-pressurePipelineYANG Luo1,YAO Jian-feng2,WU Xiao-ping

11.Southwest MunicipalEngineering Designand ResearchInstitute ofChina,Chengdu61008l China;

2.Ningbo XingguangGas GroupCompany,Ningbo315010,ChinafAbstract:Aimed atthe selectionof pipeline materials indesign ofurban natural gas high-pressure pipeline,thepipeline fatigue check,the calculationof critical angle of pipeline elastic installation andother problems,the solutionsare putforward.Key words:naturalgashigh-pressure pipeline;pipelinematerial;fatiguecheck;elasticinstallation管道材质的造价的初衷，相反，部分设计采用较高钢级的管道在技1术上并没有做到最佳选择随着国家西气东输等大型天然气工程的建设，我国首先，从管道技术方面来看已经能够成熟地生产的高强度合金钢，X52~X70

①随着管道钢级的提高，管材韧性尤其是管材冲击等级的管道钢也处于研制阶段，这为高压力、X80-X100韧性并没有相应提高，使得高强度管道发生延性断裂的大管径输气管材的制造提供了有力的保障概率增加；随着管道钢级的提高，管道壁厚随之减小，理论上使用高钢级管材可以减小管道的壁厚，从而管道刚度下降降低管道的造价，但在部分高压管道设计中存在不结合

②从施工条件来看，钢级越高的管道焊接所需的环具体情况一味地追求高钢级管材的问题例如，某些城境条件越苛刻规范《管道下向焊接工艺规程》市高压管道设计压力为公称直径为已经SY/T

4.0MPa,300mm,规定〃，钢级的钢管在环境温度高于4071—93X525℃用到了钢级的管材，这是不合适的X65时，可不预热，直接进行现场焊接；而钢级的钢管X60对于城市高压管道材质应有较严格的技术条件，在在以上的任何环境中施工时，焊前必须预热到0℃100〜确保工艺与管道安全运行的前提下，提出对钢管指标恰150℃如其分的技术要求，绝不是管材的指标越高越好，要考

③规范《输油（气）埋地钢质管道抗震设计规范》虑管道敷设现场的具体条件，要考虑性价比从实际工程来看，并不是所有工程都实现了采用高钢级降低管道（SY/T0450—2004）规定2,为提高管道的抗震能力，需采高压管道用延性良好的管材及增加管道壁厚在有抗震要求（特管道钢壁厚管材费用/与建筑物别是度及以上地震烈度、活动断层带、滑坡地段、沙外径合计/元7级最小安全/mm元赔偿费用/mm土液化区）的地区，采用较低钢级的管道比采用高钢级间距/m/元X52的管道具有更强的抗震能力

6609.56069X

1049.0450X1046519X104X

606608.75934X

10417.0850X1046784X104其次，结合工程实例从工程经济方面来看综合以上分析，可以看出管道材质的选择不仅和管

①某燃气电厂高压专线管道工程，设计压力为

4.0道的管径、设计压力及设计系数有关，而且还和管道具管道外径为敷设地区为三级地区（考虑具MPa,

355.6mm,体敷设的环境以及工程所具备的施工条件有密切的联系，体情况，强度设计系数取）设计长度为根

0.40,

7.6km在确定管道材质时不能一味地追求高指标，要具体工程据《输气管道工程设计规范》（）提供的GB50251—2003具体分析，综合各种因素比较、分析后做出选择管道壁厚计算公式计算钢级管道计算壁厚为[3,X

524.94钢级管道计算壁厚为为了保证高压管道疲劳校核mm,X

604.28mm2管道具有一定的刚度，防止管道在正常的运输、敷设、

2.1管道疲劳的概念埋管的情况下出现圆截面的失稳，《输气管道工程设计管道疲劳或疲劳破坏是指管道母材及管道焊缝在循规范》（GB50251—2003）规定了不同管径的最小管道壁环应力多次反复作用下裂纹生成、扩展导致管道断裂破厚公称直径为的管道最小壁厚为在该条坏的现象疲劳强度是指管道发生疲劳或疲劳破坏时的3,350mm5mm,最大应力，一般用疲劳持久极限来衡量，即管道在循环款规定下，依据计算管道壁厚并结合管道壁厚规格，确应力作用下，经过无数次（通常规定大于次）定和钢级管道的选取壁厚均为100X104X52X

605.2mm的应力循环也不会导致疲劳破坏的最大应力该工程高压管道在最小壁厚的规定下，采用高钢级的管材不能减小管道壁厚，由于钢管管材指标的提高造由于城市高压管道进行储气调峰的优越性，绝大多成了管道材料费的增加数城市的高压管道不仅承担着输气功能还承担着储气调

②某城市高压环网管道设计压力为

4.0MPa,管道外峰的功能集输储功能于一体的高压管道由于管道内气径为敷设地区为三级地区（强度设计系数取）体压力周期性变化，管道所受应力也周期性变化，因此660mm,

0.40,设计长度为当地政府要求建设单位对高压管道与在设计过程中进行管道的疲劳校核十分必要50km建筑物的安全距离内的土地进行5元/M的补偿X52管

2.2疲劳校核方法材按8000元/t,X60管材按8500元/t计算，不同钢级高压管道应力在上下限之间波动的范围称为应力幅天管道建设造价计算见表然气高压管道内压力波动基本可以看成上下限一定的周1期性等幅变化，应力幅按常幅考虑，即高虽然采用低钢级钢管壁厚增大了增加了X

520.8mm,钢材消耗量，在管材费用上比高钢级钢管多出X60135X元，但由于高压管道与建筑物之间需要一定的安全间104距，安全间距的大小直接决定了土地赔偿费用根据《城镇燃气设计规范》（）中、GB50028—

20066.

4.

116.

4.12的条文解释可以看出通过增加管道的壁厚降低管道的4],应力水平，以强度确保管道自身安全，从而达到减小安全间距的目的，是规范认可的做法与采用高钢级X60钢管相比，采用低钢级钢管加大了管道壁厚，合理X52减小了管道与建筑物的安全间距，减少了土地赔偿费用元，在综合费用比较上减少了义元的工400X104265IO,程总造价，所以本工程选择低钢级钢管更具优势X52即使不存在类似上述工程的土地赔偿费用，通过采用低钢级的厚壁管合理减小与建筑物的安全间距，减少工程中建筑物的拆迁量，往往也能大大节约工程造价和保证工程进度表不同钢级高压管道建设造价计算1Tab.l Calculationof constructioncost ofhigh-pressurepipeline withdifferent steelgrades维普资讯http:www.cqvip.com压管道内所有应力循环的应力幅保持常量《钢结构设计规《输气管道工程设计规范》规定］GB50251—20033,范》规定对于应力幅为常幅的疲劳校核GB50017—20035,当量应力为环向应力与轴向应力之差，轴向应力为温差应力应采用容许应力法和泊松效应引起的组合应力对于常幅疲劳按以下公式进行校核环向应力△oWZko1△sWZX⑵轴向应力△^Omax-Omin3⑺△o=0max-

0.7min⑷o=Eai tt-t+fiOh22当量应力/11ja o=0h-oa85”式中环向应力，on------MPa式中焊接部位应力幅，A1——MPa一管道设计压力，p MPa△--常幅疲劳的容许应力幅，MPa管道内径，d------mm△非焊接部位应力幅，2—MPa管道公称壁厚，8n-----mm计算部位每次循环应力最大拉应力Tmax-----------轴向应力，MPa取正值，MPa弹性模量，取E——

2.0X105MPa计算部位每次循环应力最小拉应力或压应力O m-J——钢材的线膨胀系数，取

1.2X10-拉应力取正值，压应力取负值,MPa——管道安装温度，取ti30℃应力循环次数m———输送介质的温度，取、系数t0℃C p——2泊松比，取及值可根据疲劳计算的构件和连接分类按文献［］u——

0.3C35选取oe-----当量应力，MPa工程实例分析

2.3在最大压力为和最小压力为时，根据

4.0MPa

0.6MPa

①已知条件式管道的当量应力计算结果见表6〜8,2某城市高压管道总长度为

62.4km,管道外径为508mm,表2管道当量应力计算结果管道的设计压力为

4.0MPa,利用高压管道储气调峰，压力Tab.2Calculated resultsofpipelineequivalent stress下限设定值为

0.6MPa,管道每天调峰1次，调峰的压力在管压力/管道外径壁厚/环向应力o轴向应力当量应力MPa/mm/MPa/MPa o./MPa道设计压力与管道压力下限设定值之间波动，而且每天调峰mm

4.

05088.

7112.

8105.

87.0的压力波动幅值认为是相同的根据以上条件认为管道应力

0.

65088.

716.

977.1-

60.2疲劳是常幅疲劳，可以利用常幅疲劳计算公式进行疲劳校根据式⑶计算焊缝处应力幅△，为核△o=

7.0MPa--

60.2MPa=

67.2MPa

②容许应力幅由式⑷计算非焊接部位应力幅为管道设计寿命为年，则设计寿命内应力循环次数4230m为AO=

7.0MPa--

60.22m=30x365=10950MPaxO.7=

49.1MPa对于钢质管道，根据疲劳计算的构件和连接分类，在高压管道焊缝处最大实际应力幅△，为

67.2MPa,《钢结构设计规范》附录选择类别得非焊接部位最大实际应力幅为在整个管道GB50017—2003E25,

4249.1MPaC=861xl0%p=4,则容许应力幅根据式⑸计算得寿命期内，容许应力幅△为

529.5MPa,根据式

1、2,该△g=

529.5MPa高压管道能满足疲劳条件，有足够的安全性，管道在设计寿

③实际应力幅命内不会发生疲劳破坏管道弹性敷设临界角的计算北京!…3♦0m-1在敷设高压管道过程中，改变管道走向或管道埋深时，11若现场条件允许，应优先采用弹性敷设，因为管道弹性敷设对式右端取前项,结合式、可受气温影响很小，有利于管道抗震能力的提高及管道的平稳n2910,以得到弹性敷设的临界角[单位为]:运行，减少弯管头的用量，加快施工进度并且节约大量建a max设资金

42.1根据《输气管道工程设计规范》的规GB50251—2003式的计算精度完全可以满足工程设计的需要，定

[3],管道采用弹性敷设需同时满足以下两个条件1212计算实例见表3R10D9表弹性敷设临界角简化公式计算结果3京彩，436oo[l-cm10Tab.3Calculated resultsof simplifiedformula forcriticalangleofpipeline elasticinstallation式中一管道的曲率半径，R m管道外径，管道规格/田川临界角Q max/°曲率半径R/mD-----cm

0508.0X

10.

35.

91508.17□—管道的转角，°

0323.9X

7.

97.

40324.10式是为了满足管道强度的要求作出的规定，式910参考文献是假设支撑条件为介于两端简支和嵌固之间的中间状态，挠管道下向焊接工艺规程[l]SY/r4071—93,[S].度系数取简支梁和两端嵌固梁挠度系数的平均值是为了6],2]SY/T0450—2004,输油气埋地钢质管道抗震设计规范满足垂直面上弹性敷设的管道曲率半径大于管道在自重作[S].用下产生的挠度曲线的曲率半径

[3]GB50251—2003,输气管道工程设计规范[S].城镇燃气设计规范L4JGB50028—2006,[S].在管道设计过程中设计人员关心的是在满足式、910钢结构设计规范

[5]GB50017—2003,[S].条件下的值，并依据管道转角的临界值来确定管道改变a a⑹张箭啸,埋地管道弹性敷设竖向转角临界值的计算走向或管道埋深时是否适合采用弹性敷设由于式是10a油气储运,[J].2002,218:15-

17.的隐函数方程，求解较为困难，部分高压管道设计就不论管道管径大小，将弹性敷设的临界角保守地规定为某一a mx作者简介杨罗，男，四川乐山人，助理工程师，1981-较小的值通常是3学士，从事城市燃气工程的咨询与设计工作其实式可以通过高等数学方法进行求解，得出满足10电话02151293828工程设计精度要求的简化公式将展开的单位为cos aa rad:E-mail:yangluoengineer@

163.com收稿日期修回日期2006-11-20;200741-11■工程信息，天津市津南区葛沽镇天然气工程简介建设规模用气量为l.ZxlCTnWd工程内容座中-低压调压站、中压管网

①及庭院管网3N200~400mm DN80mm本刊通讯员供稿。