一種常用的油氣輸送管道壁厚設計方法

高博翔，王　博，苑仁濤

(1.中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司　北京　100085；2.中國石油集團海洋工程有限公司工程設計院　北京　100028)

?

·開發設計·

一種常用的油氣輸送管道壁厚設計方法

高博翔1，王博2，苑仁濤1

(1.中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司北京100085；2.中國石油集團海洋工程有限公司工程設計院北京100028)

摘要：在進行油氣輸送管道設計時，管道的壁厚設計直接影響管道輸送安全和管道投資數額。介紹了基于ASME B31.3 Process Piping壁厚計算式的管道壁厚設計方法。兩個設計實例詳細地說明了壁厚的計算及選擇方案，對于油氣長輸管道及站場集輸管道的管道壁厚設計具有一定應用價值。

關鍵詞：油氣輸送；管道；壁厚設計

0引言

在進行油氣輸送管道壁厚設計時，通常需要根據輸送介質、溫度、壓力等條件選擇相應管材、確定管線號及管道腐蝕等級，進而根據上述基礎參數進行壁厚計算及選擇[1]。本文主要介紹了油氣輸送管道及管材分類方法，進而說明了以ASME B31.3 Process Piping 為基準的壁厚計算及選擇方法。

1油氣輸送管道分類

油氣輸送管道的分類方法和依據標準多種多樣。對于壁厚計算而言，需要確定管道的加工成型方式，進而確定相關參數的取值。

根據API Spec 5L《Specification for Line Pipe》[2]，鋼管按加工方式可分為無縫鋼管和焊接鋼管。無縫鋼管是由熱成型工藝加工而成的沒有焊縫的鋼管。焊接鋼管按焊接方式可分為連續焊接鋼管、電阻焊鋼管、埋弧焊鋼管、激光焊鋼管以及熔化極氣體保護電弧焊鋼管；按焊接頻率可分為高頻和低頻焊接鋼管；按焊縫類型可分為直縫和螺旋縫焊接鋼管；按焊縫數量可分為單縫和雙縫焊接鋼管。

2油氣輸送管道管材分類

油氣輸送管道材料主要分三大類：碳鋼、鑄鐵和合金鋼。

根據碳在鐵中的存在形式，碳鋼組織可分為鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體、馬氏體[3]。總的來說，沿所述順序，這些碳鋼組織的強度逐漸增大，塑性和韌性逐漸降低。鑄鐵主要分三類：白口鑄鐵、灰口鑄鐵、麻口鑄鐵。最常用的是灰口鑄鐵。按照石墨組織形式的不同，灰口鑄鐵又分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和高硅鑄鐵四類[3]。沿所述順序這些鑄鐵的強度依次減小。合金鋼是相對碳鋼而言的，在碳鋼中加入不同種類、不同含量的合金元素可形成具有不同特性的合金鋼。

一般而言，油氣輸送管道材料是上述材料中的一種。大部分石油工業領域常用的管道的管材標準和試驗方法均可由ASTM相關標準或API 5L查得。

3壁厚計算

根據ASME B31.3 Process Piping 中的壁厚計算式[4]：

tm=t+c=t+cA+cM

c=cA+cM

式中，

t為設計壓力下的壁厚計算值，mm；

c為機械裕量(cM)及侵蝕與腐蝕裕量(cA)之和，mm；

cA為侵蝕與腐蝕裕量，mm。腐蝕裕量通常的計算公式是cA=v×F，式中v為腐蝕速率，F為設計年限。v的算法在許多文獻中均有描述[5]，一般需根據介質組分及運行條件來計算。通過腐蝕裕量的計算值進而確定不同管線的腐蝕等級。

cM為機械裕量(或出廠負偏差)，mm。對于螺紋部分(小于24 in(1 in=25.4 mm)的管道)的機械裕量，用螺紋高度h表示(h的值可根據每英寸螺紋數查ASME B1.20.1[6]表1得出或根據式h=0.866025/n算得)；對于無縫管或焊接管，機械裕量(即出廠負偏差)的計算方法由API 5L 表11可得。

tm為最小所需壁厚，mm。

p為設計內壓(表壓)，psi。1 psi=0.006 9 MPa。

D為管道外徑，mm。根據不同管線的管線尺寸，查ASME B36.10M 表1可得管道外徑。

S為材料的許用應力，psig。根據管道材料及所選管材所依據標準結合設計溫度，查ASME B31.3表A1可得。

E為質量系數，無量綱。根據管道類型及所依據標準，查ASME B31.3表A1-A或A-1B可得。

W為焊縫折減系數，無量綱。根據管材及設計溫度查ASME B31.3表302.3.5可得。當設計溫度高于ASME B31.3表A1中相應管材許用應力所對應的溫度上限時，需考慮焊縫折減系數；當設計溫度低于表302.3.5所列最低溫度時，W=1。

4壁厚選擇、壁厚類別及Sch號

由計算所得最小所需壁厚向上圓整，根據ASME B36.10M[7]表1選擇相應壁厚、壁厚類別及Sch號。壁厚類別由STD、XS、XXS三種，一般對應著相應的壁厚選擇值和Sch號。對于計算壁厚超過標準中所列壁厚值的情況，應同廠家進行定制生產。

對于公稱直徑小于24 in的小口徑管道，Sch號劃分較細，分為10、20、30、40、60、80、100、120、140、160等。對于公稱直徑為24～36 in的中口徑管道，Sch號只有10、20、30、40四種。對于公稱直徑大于36 in的大口徑管道，不設Sch號，只需選擇壁厚值和壁厚類別。

另外，對于不銹鋼管，Sch號及壁厚的選擇通常根據ASME B36.19M[8]表2A選取，壁厚號加尾綴S。通常情況下，由下列標準規定的管材需要根據ASME B36.19M選擇壁厚及Sch號：ASTM A312、ASTMA358、ASTM A376、ASTM A409。

5壁厚計算及選擇實例

實例1：某油氣長輸管道的設計內壓為12 MPa，公稱直徑為1 219 mm，使用管材為API 5L規定的B級螺旋焊縫鋼管，設計輸送溫度為-20～100℃，根據管道腐蝕等級確定的腐蝕裕量為3 mm。

根據上述的壁厚計算方法可得出壁厚計算值為58.32 mm，超出了ASME B36.10M所規定的壁厚選擇值。

實例2：某站內油氣輸送管道的設計內壓為1.6 MPa，公稱直徑為508 mm，使用管材為ASTM A106[9]規定的B級無縫鋼管(有螺紋端)，設計輸送溫度為-20～100℃，根據管道腐蝕等級確定的腐蝕裕量為1.5 mm。

根據上述的壁厚計算方法可得出壁厚計算值為4.93 mm，螺紋端壁厚計算值為5.04 mm，根據ASME B36.10M選擇壁厚值為6.35 mm，壁厚等級為Sch10。

6結論與建議

本文詳細敘述了基于ASME B31.3 Process Piping壁厚計算式的管道壁厚設計方法。通過壁厚計算值來選擇管道壁厚值和Sch號。通過兩個計算實例可看出，管道壁厚的計算值向上圓整后可對應相應規范中的Sch號，從而方便標準化生產。對于一些特殊管道，壁厚計算值有可能超出規范中的壁厚值；這時，就需要管道生產廠家進行定制生產。

ASME B31.3是在基本壁厚計算式的基礎上引入了相關的修正系數對不同管材的特性進行了修正。該壁厚設計步驟相比于國標體系的壁厚計算式的主要區別在于修正系數的定義和取值有所區別。GB50251《輸氣管道工程設計規范》[10]和CSA Standard Z662-03《 Oil and Gas Pipeline Systems》[11]中均對地區等級進行了定義，從而引出了相關的設計系數。因此，在實際應用中，應根據具體的條件及相應的規范標準進行設計。

參 考 文 獻

[1] 王紅菊,祝愨智,張延萍.全球油氣管道建設概況[J].油氣儲運,2015,34(1): 15-18.

[2] 唐治國,王文江,李龍，等.油氣長輸管道壁厚計算及選用[J].管道技術與設備,2011,19(6): 52-53.

[3] American Petroleum Institute.Specification for Line Pipe: API SPEC5L- 44 EDITION [S].

[4] 譚蔚.化工設備設計基礎[G].天津：天津大學出版社，2014.

[5] American Society of Mechanical Engineers.Process Piping: ASME B31.3-2010 [S].

[6] 劉小寧.鋼制壓力容器與管道腐蝕裕量的可靠性設計[J].化肥設計,2004,42(5): 25-27.

[7] American Society of Mechanical Engineers.Pipe Thread,General Purpose (INCH): ASME B1.20.1-1983 [S].

[8] American Society of Mechanical Engineers.Welded and Seamless Wrought Steel Pipe: ASME B36.10M-2000 [S].

[9] American Society of Mechanical Engineers.Stainless Steel Pipe: ASME B36.19M-1985 [S].

[10] American Society for Testing Material.Standard Specification for Seamless Carbon Steel Pipe for High-Temperature Service: ASTM A106-1999 [S].

[11]中華人民共和國住房和城鄉建設部,中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.輸氣管道工程設計規范: GB50251-2015 [S].北京: 中國計劃出版社,2015.

[12] Canadian Standards Association.Oil and Gas Pipeline Systems: CSA Standard Z662-03 [S].

A Common Wall Thickness Design Method for Oil and Gas Transmitting Pipeline

GAO Boxiang1，WANG Bo2，YUAN Rentao1

(1.China Petroleum Engineering Company Limited，Beijing Company,Beijing,100085,China 2.CNPC Offshore Engineering Company Limited,Engineering Design Institute,Beijing,100028,China)

Abstract：During the design of oil and gas transportation pipeline,the wall thickness affects both the safety and the investment of pipeline.The wall thickness design method is introduced based on the formula of ASME B31.3 Process Piping.The wall thickness calculation and selection scheme are described in detail through two practical design examples,which can be applied to the wall thickness design of oil and gas transmitting trunk line and station gathering pipeline.

Key words：oil and gas transmitting;pipeline;wall thickness design

第一作者簡介：高博翔，男，1990年生，助理工程師，2015年碩士畢業于中國石油大學(北京)油氣儲運工程專業，現主要從事管道設計方面的研究工作。E-mail:gaoboxiang@cpebj.com

中圖法分類號：TE832

文獻標識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)03-0021-03

(收稿日期：2016-03-07編輯：葛明君)