基于環境低溫條件下天然氣管道優化設計

王坤　馬振乾

摘 要：天然氣管道最冷月平均溫度 -20.6 ℃，極端最低溫度 -40℃，管道設計溫度 -25 ℃，設計壓力10 M Pa。天然氣管道采用 A、B 線并行的敷設方式，該管道已實現雙線通氣，有效緩解了天然氣供應緊張的局面。通過對天然氣管道項目工藝設計中鋼管低溫脆性、管道水壓試驗、閥門壓力等級和材質選擇、放空立管防雨水功能 4 個代表性問題進行分析，針對目前天然氣管道項目放空立管防雨水存在的缺陷而提出放空立管設計方案，對其后續工程或其他類似項目具有指導意義和參考價值。

關鍵詞：天然氣管道;低溫脆性;材質選擇;優化設計

1 鋼管的低溫脆性

為了防止管道中可能存在的污水在 0 ℃以下結冰而漲裂管道，對站場的排污管道采取保溫和電伴熱措施。冬季時，在正常運行工況下，站場管道內有天然氣流動，能夠不斷補充管壁散失的熱量，維持管道溫度不低于0 ℃，不會發生低溫脆性斷裂;但是，因事故或檢修需要，天然氣管道停輸時，管內天然氣停止流動，管道溫度將很快降至大氣溫度。若鋼管技術規格書對可能出現的低于設計溫度的溫度未提出控制材料的低溫韌脆性要求，或廠家由于生產周期和工程施工進度等原因無法給出韌脆性轉變點，為避免管道在低溫時發生脆性斷裂，應對所有地上管道進行保溫。采取保溫措施，可以有效降低溫度下降速率，若能夠在管道溫度下降至設計溫度前完成管道檢修，該做法值得推薦;但若溫度下降至設計溫度以下，僅靠保溫將無法解決材料的低溫脆性斷裂問題。ASM E B31.3 提出應力比的概念 ，即管道組合應力與材料許用應力的比值。當鋼管的應力低于許用應力時，可以進一步降低沖擊試驗的溫度，應力比越小，可以降低的溫度幅度越大。在最低設計溫度不低于-104 ℃的前提下，當應力比低于 0.3 時，可以免除鋼管的低溫沖擊試驗。ASM E 鍋爐和壓力容器規范對于碳鋼和低合金鋼的壓力容器提出了類似概念。

因此，針對停輸情況下放空管道以外的地上管道，確定如下操作原則：①停輸時，地上管道系統內的天然氣在其降至最低設計溫度前及時放空，最大限度地降低管路和設備內的組合應力，使其在極端的大氣低溫條件下不會出現脆性斷裂。②應在管道溫度達到設計溫度時進行啟動輸氣操作。保溫措施可以延遲管道降低至最低設計溫度的時間，為管道不放空即能完成檢修提供時間保證，但若無法及時完成檢修，則應按照以上原則執行。

2 水壓試驗

水壓試驗可以提供預應力，使鋼管中存在的裂紋鈍化，使裂紋尖端處于受壓縮狀態，從而提高材料韌性。同時，水壓試驗可以揭示管道的原有缺陷。以天然氣管道某站直徑 323.9 m m 的鋼管為例，站場設計壓力 10 MPa，鋼管材質為API5L GR.B，依據 ASM E B31.8 的規定，該站屬于3 級地區（設計系數取 0.5），鋼管壁厚計算值為 13.43 m m ，最終取值為 14.3 m m 。工廠水試壓按照 12.8 M Pa 進行，滿足API 5L 管道規范標準試驗壓力的要求 [3] 。但是，根據ASM E B31.8 中 841.342（b）的規定：對位于3 級或者4 級地區內的干線或集管進行靜水壓試驗，試驗壓力不低于最大操作壓力的 1.4 倍。該站場最大操作壓力為 9.8 M Pa，因而現場靜水壓試驗的試驗壓力應不低于 13.72 M Pa。

專家認為，工廠內水試壓是工廠內部質量控制程序，無法為管道設計提供依據，工廠設計系數取 0.5 相當保守;現場若設計壓力取13.72 M Pa，壁厚14.3 mm ，代入壁厚計算公式，反推出來的設計系數為0.644。因此，若鋼管質量合格，無論工廠內水試壓壓力高低，鋼管均應能夠承受 13.72 M Pa 的壓力。在實際工作中，必須嚴格按照相關標準進行現場強度試壓。為了確保鋼管在管道施工完畢后進行強度試驗時萬無一失，設計方在向鋼管廠家提交的技術條款中應告知現場進行強度試驗的壓力和所維持的時間，以便廠家就此條款重新確定工廠內的水試驗壓力;另一方面，鋼管廠家在投標時也有必要將工廠內的水試驗壓力指標列入標書中，以供設計方和業主審查。

3 閥門壓力等級和材質選擇

在天然氣管道工程項目所有閥門的技術規格書中，均要求閥門必須滿足環境溫度和操作條件，檢驗與測試均需遵循 API 598、ASM E B16.34 以及其他相關標準。該工程個別站場閥門設計溫度65 ℃，設計壓力 10 M Pa（壓力等級 Class 600），所涉及閥門主要是法蘭端和焊接端閥門。ASM E B16.34 規定：若閥門材質選擇的是壓力溫度額定值表 2-1.1 第 1.1 組所列材料，如A105，A216 GR.W CB，標準磅級的 Class 600閥門在 65 ℃溫度條件下將無法滿足設計溫度和設計壓力要求。為解決該問題，推薦如下方案：①提高閥門的磅級，即采用 Class 900 標準磅級閥門;②選擇特殊磅級 Class 600 閥門;③選擇 Class 600 標準磅級閥門，Class 600 標準磅級閥門材質需選用 ASM E B16.34壓力溫度額定值表 2-1.2 第 1.2 組中所列材料，例如A216 GR.W CC，A350LF6 CL.2，這些材料制作的閥門在 150 ℃溫度下仍能承受 10 M Pa 的壓力;④采用中間額定閥門，按照非強制型附錄 B 確定壓力-溫度額定的方法，適當增加閥門壁厚，提高設計壓力以滿足設計要求。在計算過程中，采用插值法確定中間壓力-溫度額定值，但是 ASM E B16.34 第 2.1（f）指出，對于法蘭連接閥門，不允許對壓力-溫度額定值進行磅級之間插值。閥門廠家可以根據實際設計和生產能力，從經濟利益和供貨周期兩方面考慮選擇合適的方案。但是，在天然氣管道項目投標書中，不少廠家選擇了A105、A216 GR.W CB Class 600 標準磅級閥門，也有廠家提出對法蘭連接的閥門選用中間磅級。作為專業的閥門生產廠家，對閥門的標準規范應有深刻的理解，在設計閥門的同時應仔細閱讀閥門技術規格書和數據單中所提到的各種要求，才能設計出滿足設計要求的閥門。如果廠家確有設計實力，可以對閥門進行非標設計，但非標閥門生產周期一般比標準閥門長，價格偏貴，故不在推薦之列。

4 放空立管防雨水功能

防雨蓋和支承架選用厚 4 m m 的鋼板制作，旋轉軸由 ？ 14 圓鋼制作而成。加設防雨蓋目的在于防止雨水進入放空管道，若放空管道沒有低點污水收集裝置，污水則無法排出。放空立管的防雨結構設計存在以下缺點：防雨蓋通常為關閉狀態，當管道放空時，靠天然氣的沖擊力將其打開，故防雨蓋圍繞旋轉軸旋轉時需保持靈活，不能出現卡死工況;防雨蓋無法自動復位，打開后必須人工復位，一般放空立管高度為3～15 m ，人工復位困難;防雨蓋和支承架材質均為碳鋼鋼板，復位時鋼板的撞擊可能打出火花，存在安全隱患。

針對天然氣管道項目工藝設計中鋼管低溫脆性、管道水壓試驗、閥門壓力等級和材質選擇、放空立管防雨水功能 4 個代表性問題進行了分析。在低溫時，通過采取保溫措施、控制材料低溫韌性或制定相應站場操作原則，避免管道出現低溫脆性斷裂;關于管道水壓設計，設計方在提交給鋼管廠家的技術條款中應增加現場強度試壓的壓力值和試壓所維持時間的信息項，鋼管廠家投標時應將工廠內的水試驗壓力指標列入標書中;在選擇閥門壓力等級和材質方面，采用標準磅級、特殊磅級、提高磅級或者中間額定 4 種方案，以解決閥門不滿足設計壓力和設計溫度要求的問題;針對目前項目放空立管防雨水存在的缺陷，提出了新的放空立管設計方案。

參考文獻：

[1] 環境地溫對長輸天然氣管道工藝優化的研究[J]. 楊洪玲. ?化學工程與裝備. 2016（12）