4.0MPa燃氣輸配系統中的管道選材分析

2012-09-04 10:42:20羅麗娜

天津建設科技 2012年3期

□文/王健羅麗娜

□文/王健羅麗娜

通過計算、校核及經濟比選、規范要求和焊接難度，得出4.0 MPa燃氣輸配系統所用管材較經濟的壁厚及材質組合。

4.0 MPa；管材；壁厚；燃氣；輸配系統

隨著天津城市建設的快速發展及“十二·五”期間節能減排形勢的日益嚴峻，大批高耗能企業及燃煤鍋爐房都將改造使用天然氣這種優質能源，用氣量的大幅增加需要天津市新建燃氣管網設計壓力提升到城鎮燃氣最高壓力4.0 MPa，如何保證管材的選用安全、經濟成為現階段工程建設面臨的一大課題。

1 制管標準的選取

根據GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》規定，壓力＞1.6 MPa室外燃氣管道選用的鋼管應符合GB/9711.1—1997《石油天然氣工業輸送鋼管交貨技術條件第 1部分：A級鋼管》(L175級鋼管除外)、GB/T 9711.2—1999《石油天然氣工業輸送鋼管交貨技術條件第2部分：B級鋼管》和GB/T 8163—1999《輸送流體用無縫鋼管》的規定或符合不低于上述3項標準相應技術要求的其他鋼管標準。三級和四級地區高壓燃氣管道材料鋼級不應低于L245。因B級鋼管質量要求嚴于A級鋼管（如韌性、無損檢測、壁厚公差等）并考慮使用區域為千萬人口的超大城市，為保證安全選用B級鋼管。鋼級L245的B級鋼管與20#無縫鋼管的最小屈服強度均為245 MPa，為便于采購、焊接，故在4.0 MPa系統中統一采用B級鋼管。

2 工藝計算與校核

天津4.0 MPa燃氣輸配系統中干線管徑主要為DN700 mm、DN800 mm、DN1 000 mm，本文只對這 3 種管徑進行分析計算。

2.1 直管段壁厚計算

直管段壁厚按式（1）計算：

式中：δ為鋼管計算壁厚，mm；P為設計壓力，4.0 MPa；D為管道外徑，mm；σs為鋼管最低屈服強度，MPa；φ為焊縫系數，取1；F為強度設計系數，天津主要為三級（取0.4）和四級地區（取 0.3）。

式（1）的結算結果見表1和表2。

表1 用于三級地區鋼管壁厚計算結果 mm

表2 用于四級地區鋼管壁厚計算結果 mm

計算結果中的所有壁厚均大于規范要求的最小壁厚。如采用L245鋼級，因計算壁厚較大，不利于焊接、運輸且內徑小，降低了流通能力，故排除此鋼級。GB 50028—2006第6.4.12、6.4.15條規定，三級地區鋼管管徑≥11.9 mm、四級地區鋼管管徑≥9.5 mm時，燃氣管道與建筑物的水平凈距分別可縮短到8 m和15 m，為減少拆遷量并為今后城市建設預留空間，主干線管道壁厚統一要求≥11.9 mm。根據上述原因，結合B級鋼管壁厚分級，壁厚及鋼級初選結果見表3和表4。

表3 用于三級地區鋼管的選用壁厚 mm

表4 用于四級地區鋼管的選用壁厚 mm

2.2 直管段徑向穩定性校核

按照GB 50251—2003《輸氣管道工程設計規范》第5.1.4條校核：

式中：Δx為鋼管水平方向最大變形量，m；Dm為鋼管平均直徑，m；W為作用在單位管長上的總豎向荷載，N/m；W1為單位管長的豎向永久荷載，N/m；W2為地面可變荷載傳遞到管道上的荷載，N/m；Z為鋼管變形滯后系數，取1.5；K為基床系數，取0.085；E為鋼材彈性模量，取 2.05×1011，N/m2；I為單位管長截面慣性矩 m4/m；ES為土壤變形模量，取4.8 MN/m2。

式（2）～（5）的計算結果見表 5。

表5 徑向穩定性校核結果（均取最小壁厚） mm

由表 5可看出，DN1 000 mm、壁厚為 12.5 mm時，不滿足徑向穩定性要求，其他壁厚均滿足要求。

2.3 當量應力校核

按照GB 50251—2003規定，埋地管道需進行管道應力校核：

式中：бe為當量應力，MPa；бh為由內壓產生的環向應力，MPa；бa為軸向應力，MPa；E為鋼材的彈性模量，2.05×105MPa；α為鋼材線膨脹系數，12×10-6/℃；μ為泊桑比，取0.3；P為設計壓力，4.0 MPa；d為管道內徑，cm；δ為管道壁厚，cm；бs為管材最小屈服強度,MPa；t1為管道下溝回填時溫度，取15℃；t2為管道的工作溫度，取20℃。

式（6）～（8）的計算結果見表 6。