提高管道設(shè)計(jì)系數(shù)對(duì)輸氣管道的經(jīng)濟(jì)性影響

(1.廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院 廣東 廣州 510075)

(2.西氣東輸管道公司管道工程建設(shè)項(xiàng)目部 江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

(3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 陜西 西安 710018)

提高管道設(shè)計(jì)系數(shù)對(duì)輸氣管道的經(jīng)濟(jì)性影響

劉琦1莊志環(huán)2盛峰3

(1.廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院廣東廣州510075)

(2.西氣東輸管道公司管道工程建設(shè)項(xiàng)目部江蘇鎮(zhèn)江212000)

(3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司陜西西安710018)

我國(guó)一類(lèi)地區(qū)的油氣管道設(shè)計(jì)系數(shù)均為0.72，相比于西方發(fā)達(dá)國(guó)家的0.8還比較保守.目前國(guó)內(nèi)大部分學(xué)者還主要通過(guò)研究新型管材來(lái)降低管道的壁厚從而降低管材的投資或提高管道的強(qiáng)度從而增加管道的輸量。本文以西氣東輸管道二線為例，定量地說(shuō)明了將管道設(shè)計(jì)系數(shù)從0.72提高至0.8對(duì)減小管道壁厚或提高管道輸量的積極作用。經(jīng)計(jì)算證明，提高管道設(shè)計(jì)系數(shù)對(duì)于節(jié)約管材成本和提高輸量具有非常顯著的效果。

油氣管道；設(shè)計(jì)系數(shù)；壁厚；輸量

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和能源戰(zhàn)略的發(fā)展，國(guó)民對(duì)天然氣的需求與日俱增。為了提高天然氣的運(yùn)輸總量和效率，我國(guó)已逐步進(jìn)入高壓大口徑天然氣管道建設(shè)的高潮階段[1]。截至2013年10月，我國(guó)長(zhǎng)輸油氣管道總長(zhǎng)度已達(dá)10.6×104km，其中天然氣管道約6×104km，原油管道約2.6×104km，成品油管道約2×104km[2]。

就管道的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)而言，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的管道設(shè)計(jì)都遵循應(yīng)力的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即保證管道所受載荷產(chǎn)生的應(yīng)力小于管材的屈服應(yīng)力乘以設(shè)計(jì)系數(shù)[3]。我國(guó)目前在一類(lèi)地區(qū)管道的設(shè)計(jì)系數(shù)為0.72，而加拿大早在20世紀(jì)70年代就在管道設(shè)計(jì)規(guī)范中引入了0.8的設(shè)計(jì)系數(shù)，并在許多輸氣管道上進(jìn)行了應(yīng)用[4]。所謂提高輸氣管道設(shè)計(jì)系數(shù)，就是將管道設(shè)計(jì)系數(shù)提高到0.72以上，這樣做一方面可以以在管道材質(zhì)和管徑一定的情況下提高輸氣壓力，增加輸量，而無(wú)需增加管道壁厚；另一方面，也可以在輸氣量不變的情況下，減少管線的壁厚，從而節(jié)約鋼材用量，減少工程投資。鑒于以上兩點(diǎn)，對(duì)管道設(shè)計(jì)系數(shù)的優(yōu)化是具有深遠(yuǎn)意義的。本文以西氣東輸管道二線為例來(lái)進(jìn)行具體分析。

一、節(jié)約投資

(一)西氣東輸二線簡(jiǎn)介

西氣東輸二線西起阿拉山口，東至廣州和上海，途徑新疆，甘肅，寧夏，陜西，河南，湖北，江西，廣東，安徽浙江和上海等11個(gè)省直轄市自治區(qū)。管道包括一條干線，5條支線，總長(zhǎng)度7256km，其中干線長(zhǎng)度為4832km，5條支線長(zhǎng)度為2434km，共設(shè)195座閥室。

圖1 西氣東輸二線管道初步走向

(二)管道設(shè)計(jì)規(guī)格

西氣東輸二線管道設(shè)計(jì)規(guī)格見(jiàn)表1。

(三)設(shè)計(jì)公式

按照我國(guó)《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50250)，輸氣管道直管段管壁厚度按下式算[6]：

(1)

式中：σs—鋼管最低屈服強(qiáng)度，MPa；

δ—鋼管設(shè)計(jì)壁厚，m；

p—設(shè)計(jì)壓力，MPa；

D—鋼管外徑；

F—強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，輸氣管道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)應(yīng)根據(jù)地區(qū)分類(lèi)選取；

φ—焊縫系數(shù)，取1.0；

t—溫度折減系數(shù)，當(dāng)溫度低于120℃時(shí)，取t=1.0。

表1 西氣東輸二線管道設(shè)計(jì)規(guī)格[5]

(四)經(jīng)濟(jì)計(jì)算

據(jù)測(cè)算，管道所用鋼管的費(fèi)用占整個(gè)管道建設(shè)總費(fèi)用的30%～40%，如果能夠在保證輸量和管道強(qiáng)度安全的前提下適當(dāng)減小管道的壁厚，那么對(duì)于節(jié)約管道的材料費(fèi)用來(lái)說(shuō)是非常有利的。我國(guó)目前一類(lèi)地區(qū)的管道設(shè)計(jì)系數(shù)為0.72，而在加拿大和美國(guó)等西方國(guó)家早已將這個(gè)系數(shù)提高到0.8，下面將通過(guò)計(jì)算來(lái)說(shuō)明將設(shè)計(jì)系數(shù)提高至0.8對(duì)節(jié)約管材會(huì)起到多大的幫助。

設(shè)原有管道的壁厚為δ1，改變管道設(shè)計(jì)系數(shù)(將設(shè)計(jì)系數(shù)F由0.72提高到0.8，其他參數(shù)不變)后管道的設(shè)計(jì)壁厚變?yōu)棣?，則δ2=0.9δ1。由于管道的外徑D保持不變，管道壁厚由δ1變?yōu)?.9δ1，則管道的內(nèi)徑增加了0.2δ1。設(shè)管道原來(lái)的內(nèi)徑為d1，則變化后管道的內(nèi)徑為d2=d1+0.2δ1。記設(shè)計(jì)系數(shù)F變化前后單位長(zhǎng)度管道所用鋼材的體積分別為v1和v2，則有：

v1=πd1δ1，v2=πd2δ2=0.9δ1π(d1+0.2δ1)

變化前后的體積差

Δv=v1-v2=πδ1(0.1d1-0.18δ1)

設(shè)鋼材的密度ρ=7850kg/m3，則單位長(zhǎng)度管道所用鋼材的質(zhì)量差為：

(2)

根據(jù)表1-1中提供的數(shù)據(jù)帶入到(2)式中得：

Δm1=24657×0.0184×(0.1×1.1822-0.18×0.0184)=52.13kg/m

Δm2=24657×0.0128×(0.1×1.0124-0.18×0.0128)=31.23kg/m

Δm3=24657×0.00769×(0.1×0.5946-0.18×0.00769)=11.01kg/m

Δm4=24657×0.0128×(0.1×1.0124-0.18×0.0128)=31.23kg/m

Δm5=24657×0.0115×(0.1×0.8910-0.18×0.0115)=24.68kg/m

Δm6=24657×0.00896×(0.1×0.6931-0.18×0.00896)=14.96kg/m

則全線節(jié)約鋼材的總質(zhì)量為：

諺語(yǔ)常常因其內(nèi)容的多姿多彩被稱(chēng)作人生的百科全書(shū)。從表達(dá)的思想內(nèi)容來(lái)看，田林平塘高山漢族諺語(yǔ)涉及的范圍非常廣，大多是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期生產(chǎn)生活檢驗(yàn)得到認(rèn)可的道理或事實(shí)，具有很強(qiáng)的知識(shí)傳承和教育勸誡作用。

ΔM=Δm1L1+Δm2L2+Δm3L3+Δm4L4+Δm5L5+Δm6L6=2.70783×105t

若全線采用X80型號(hào)鋼材，鋼材的單價(jià)為4250元/噸，則可以節(jié)約鋼材的總價(jià)為;

ΔP=ΔM×p=2.70783×105×4250=1.1508×109元

二、提高輸量

作為國(guó)內(nèi)天然氣供應(yīng)和能源配置的“大動(dòng)脈”，西氣東輸二線工程在投產(chǎn)的三年里，累計(jì)輸氣量已突破700億立方米，其中2013年輸氣量達(dá)到279億立方米。

但是，如此龐大的輸量仍然無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)巨大的天然氣需求，提高管線輸量這一課題仍是目前許多專(zhuān)家學(xué)者研究的重點(diǎn)。

提高管道設(shè)計(jì)系數(shù)可以保證在管道壁厚不變的情況下提高輸氣壓力，從而增大管道輸量。下面將通過(guò)計(jì)算來(lái)具體闡述。

(一)幾點(diǎn)假設(shè)

由于西氣東輸二線工程量巨大，鋪設(shè)管道的地形和環(huán)境極為復(fù)雜，沿途增壓站輸量眾多，所以為了計(jì)算方便，做出以下幾點(diǎn)假設(shè)：

1、每段管道只有一個(gè)起點(diǎn)增壓站和一個(gè)終點(diǎn)集氣站，管道沿途的沒(méi)有閥門(mén)等節(jié)流裝置，且管道近似為直管；

2、每段管道不存在高差，即水平管；

3、等溫輸送。

(二)輸量計(jì)算

水平輸氣管道的流量基本公式為[7]：

(3)

式中：PQ，Pz—輸氣管計(jì)算段的起、終點(diǎn)壓力，Pa；

D—輸氣管內(nèi)徑，m；

λ—水力摩阻系數(shù)；

Z—天然氣在管輸條件(平均壓力和平均溫度)下的壓縮因子；

Δ*—天然氣的相對(duì)密度；

T—輸氣溫度，K；

L—輸氣管計(jì)算段長(zhǎng)度，m。

其中p0和T0為工程標(biāo)準(zhǔn)狀況下的壓力(Pa)和溫度(K)，Ra空氣的氣體常數(shù)(kJ·(kg·K)-1)

由公式(1)可知，在保持壁厚不變的條件下，提高設(shè)計(jì)系數(shù)F，輸氣壓力會(huì)增大。記提高設(shè)計(jì)系數(shù)前后的起點(diǎn)壓力分別為pQ1和pQ2，終點(diǎn)壓力為pz1和pz2。現(xiàn)將設(shè)計(jì)系數(shù)F從0.72提高到0.8，則有pQ2=1.11pQ1。則提高設(shè)計(jì)系數(shù)后起點(diǎn)和終點(diǎn)壓力的平方差為：

根據(jù)公式(3)可知，在其他條件不變的情況下，提高設(shè)計(jì)系數(shù)后與提高設(shè)計(jì)系數(shù)前的流量比為：

即將設(shè)計(jì)系數(shù)從0.72提高到0.8，其輸量會(huì)提高原來(lái)的11%。根據(jù)表1-1中的數(shù)據(jù)，改變?cè)O(shè)計(jì)系數(shù)之前的年輸氣總量為670×108m3，則改變?cè)O(shè)計(jì)系數(shù)之后的輸氣量為737×108m3，提高了67×108m3。

三、結(jié)論

本課題研究了管道設(shè)計(jì)系數(shù)的變化對(duì)管道的經(jīng)濟(jì)性影響，通過(guò)計(jì)算證明了提高管道設(shè)計(jì)系數(shù)有利于節(jié)約管道的建設(shè)成本或者提高管道的輸量。在某種程度上可以說(shuō)明，提高管道設(shè)計(jì)系數(shù)是今后管道設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

在設(shè)計(jì)輸量保持不變的情況下，將設(shè)計(jì)系數(shù)從0.72提高至0.8，可以減小管材的壁厚，從而降低管材的投資。以西氣東輸二線管道為例，管材成本可節(jié)省約11億元。

在保持管道壁厚不變的條件下，將設(shè)計(jì)系數(shù)從0.72提高至0.8可以將輸氣壓力提高約11%，經(jīng)計(jì)算得知總輸氣量也隨之提高11%。從原來(lái)的670×108m3/a提高到737×108m3/a，總數(shù)量提高67×108m3，可為北京市冬季連續(xù)供暖約220天。

[1]吳宏,張對(duì)紅,羅金恒,諶貴宇,郭志梅.輸氣管道一級(jí)地區(qū)采用0.8設(shè)計(jì)系數(shù)的可行性[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2013,32(8):799-804.

[2]王保群,林燕紅,艾勇,周夏伊,王小強(qiáng).從評(píng)價(jià)角度看我國(guó)油氣管道取得的成就[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì),2014,25(4):6-9.

[3]張宏,顧曉婷,趙麗恒.基于可靠性的油氣管道設(shè)計(jì)系數(shù)研究[J].焊管,2011,34(4):58-62.

[4]趙新偉,張廣利,羅金恒,莊傳晶,張華.提高設(shè)計(jì)系數(shù)對(duì)天然氣管道安全可靠性影響及可行性分析[C].第七屆全國(guó)壓力容器學(xué)術(shù)會(huì)議,2009.

[5]羅東曉,趙勤.西氣東輸二線工程簡(jiǎn)介[J].煤氣與熱力,2007,27(11):61-63.

[6]帥健,于桂杰.管道及儲(chǔ)罐強(qiáng)度設(shè)計(jì)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2006.

[7]李玉星,姚光鎮(zhèn).輸氣管道設(shè)計(jì)與管理[M].東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)出版社,2009.

劉琦(1989-)，男，碩士研究生，吉林長(zhǎng)春人，廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院專(zhuān)任教師，研究方向油氣管道工程設(shè)計(jì)。