油田進站長輸管道壁厚計算及強度校核

劉欣玉

（中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101）

0 引言

隨著對海外油田市場的不斷深化參與開發(fā)，國外油田項目在海外市場上占有份額也隨之提高。油田進站長輸管道位于管匯部位，一旦發(fā)生泄漏失效，不僅會影響油田的正常生產(chǎn)，造成重大的經(jīng)濟損失，同時管道失效泄漏的有毒有害、易燃易爆介質(zhì)，也會嚴重威脅著人身安全和造成嚴重的環(huán)境污染。因此，進站長輸管道壁厚的規(guī)范設(shè)計，正確計算和校核不僅影響著管道的安全穩(wěn)定性，也直接關(guān)乎項目的經(jīng)濟成本，是項目設(shè)計過程中重要的環(huán)節(jié)。

本文通過選用適用的國際規(guī)范，介紹了國外油田項目的進站長輸管道的壁厚計算及強度校核、熱感應(yīng)煨彎管壁厚減薄計算。以國外某油田項目為例，對進站長輸管道的壁厚計算及校核情況進行介紹和總結(jié)。

1 壁厚計算及強度校核

1.1 壁厚計算

國外油田項目的進站長輸管道壁厚一般采用ASME B31.4[1]標準403.2.1章節(jié)公式進行計算，確定輸油管道最小壁厚的計算公式為：

式中，t為鋼管的計算壁厚（mm）；Pi為設(shè)計內(nèi)壓力（MPa）；D為鋼管外直徑（mm）；S為鋼管許用應(yīng)力（MPa）。

其中，許用應(yīng)力S的計算公式為：

式中，F(xiàn)為設(shè)計系數(shù)；Ej為ASME B31.4標準表403.2.1-1中列出的焊接接頭系數(shù)；SMYS為最小屈服強度（MPa），在管道材料標準中可以查到，國外長輸管道標準以API SPEC 5L為主。

鋼管的公稱壁厚應(yīng)按下式確定：

式中，tn為滿足壓力和腐蝕裕量要求的公稱壁厚（mm）；CA為腐蝕裕量（mm）。

1.2 管道應(yīng)力計算

由于管道受到內(nèi)部壓力和外部載荷的作用，以及管道本身溫度變化也會產(chǎn)生應(yīng)力，在進站長輸管道設(shè)計過程中應(yīng)對其進行計算，滿足所選管道壁厚的安全承受能力，減少強度失效的風險。

1）環(huán)向應(yīng)力計算

對于有約束和無約束管道，由內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力按ASME B31.4標準402.3章節(jié)公式進行計算，環(huán)向應(yīng)力保守計算中扣除了腐蝕余量：

式中，SH為由內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力（MPa）。

2）熱膨脹應(yīng)力計算

受約束管道熱膨脹引起的軸向應(yīng)力按ASME B31.4標準402.5.1章節(jié)公式進行計算：

式中，SE為由溫度變化產(chǎn)生的軸向應(yīng)力（MPa），負值表示壓應(yīng)力，正值表示拉應(yīng)力；E為鋼管彈性模量（MPa），按ASME B31.4標準402.2.2章節(jié)可取2.03×105；α為鋼管線膨脹系數(shù)（mm/mm/℃），按ASME B31.4標準402.2.1章節(jié)可取11.7×10-6；T1為管道安裝的環(huán)境溫度（℃）；T2為管道最高工作溫度（℃），考慮采用設(shè)計溫度。

3）附加軸向應(yīng)力計算

受約束管道的附加軸向應(yīng)力應(yīng)按ASME B31.4標準402.6.1章節(jié)公式進行計算：

式中，ν為泊松比，按ASME B31.4標準402.2.3章節(jié)可取0.3；M/Z為由于彎曲引起的軸向應(yīng)力，F(xiàn)a/A為由于外部載荷引起的軸向應(yīng)力，這兩項在壁厚的強度校核中可以不考慮。

（4）等效組合應(yīng)力計算

受約束管道中，按ASME B31.4標準402.7章節(jié)，根據(jù)最大剪應(yīng)力理論將軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力組合為等效組合應(yīng)力，公式如下：

式中，Seq為等效組合應(yīng)力（MPa）；St為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（MPa），對于陸上管線，St可忽略不計，因此公式7可簡化為：

1.3 強度校核標準

鋼管在使用過程中的應(yīng)力值不應(yīng)超過ASME B31.4標準表403.3.1-1中的許用值，驗收標準如下：

（1）環(huán)向應(yīng)力校核

（2）熱膨脹應(yīng)力校核

（3）附加軸向應(yīng)力校核

（4）等效組合應(yīng)力校核

2 熱感應(yīng)煨彎管壁厚減薄計算

在進站長輸管道的設(shè)計過程中，若采用熱感應(yīng)煨彎管，用于煨彎管的母管應(yīng)包括管道壁厚中的彎曲減薄余量。彎曲半徑最小應(yīng)為6D，為保證整個管道的強度均勻，制造后彎曲處的厚度應(yīng)至少與直管相當。彎曲減薄余量應(yīng)按BSI PD 8010-1[2]標準公式2進行計算：

式中，n為內(nèi)彎半徑除以管徑，計算公式如下：

式中，Rfb為彎曲半徑，一般取6D；D為鋼管外直徑（mm）。

用公式計算所得的彎曲減薄余量沒有考慮到其他取決于彎曲過程的因素，因此，最終用于煨彎管的母管壁厚應(yīng)讓制造商確認。

3 應(yīng)用實例

3.1 項目情況介紹

國外某原油處理項目的進站長輸管道有兩條，管道內(nèi)的介質(zhì)為含水原油，管道的設(shè)計壓力為3MPa，設(shè)計溫度為110℃。進站長輸管道的具體設(shè)計數(shù)據(jù)如表1所示。

3.2 設(shè)計系數(shù)選取

ASME B31.4標準規(guī)定設(shè)計系數(shù)F的值不得大于0.72。如果管道敷設(shè)地點不同，可以選擇使用小于0.72的設(shè)計系數(shù)。在設(shè)定設(shè)計系數(shù)時，要充分考慮壁厚公差和最大允許缺陷深度。進站長輸管道的設(shè)計系數(shù)可按照表2選擇。

表2 設(shè)計系數(shù)F

3.3 管道材料

考慮到進站長輸管道使用在酸性環(huán)境下，因此選用管材鋼級為API 5L-PSL2-X52QS，并滿足NACE MR0175/ISO 15156標準的相關(guān)要求。其中一條為DN500焊接鋼管，一條為DN250的無縫鋼管，考慮介質(zhì)的腐蝕情況，腐蝕裕量確定為6mm。計算時需要用到的管道材料數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 管道材料數(shù)據(jù)

3.4 壁厚計算

根據(jù)1.1節(jié)列出的壁厚計算公式，對本項目進站長輸管道的壁厚進行計算和選取。所選擇的公稱壁厚是基于計算結(jié)果的最接近ASME B36.10M標準的厚度，根據(jù)不同管道直徑進行了合理化設(shè)計。一般線路計算時，設(shè)計系數(shù)F選取0.72；道路交叉口和工廠區(qū)域的管道計算時，設(shè)計系數(shù)F選取0.6，計算過程采用表格形式清晰直觀，具體計算過程如表4所示。

表4 壁厚計算

根據(jù)第二節(jié)列出的彎曲減薄計算公式，對本項目熱感應(yīng)煨彎管母管的壁厚進行計算和選取。經(jīng)計算，直管壁厚能滿足彎曲減薄的要求，具體計算過程如表5所示。

表5 熱感應(yīng)煨彎管壁厚計算

3.5 強度校核

根據(jù)1.2節(jié)列出的應(yīng)力計算公式和1.3節(jié)列出的強度校核標準，對3.4節(jié)選取的公稱壁厚進行環(huán)向應(yīng)力、熱膨脹應(yīng)力、附加軸向應(yīng)力和等效組合應(yīng)力校核。為使校核結(jié)果安全可靠，設(shè)計系數(shù)F選取0.6。具體計算過程如表6所示，可以看出，選取的公稱壁厚可以滿足強度校核要求。

表6 強度校核

3.6 結(jié)論

根據(jù)管道壁厚計算和彎曲減薄計算結(jié)果，結(jié)合強度校核結(jié)論，DN500焊接鋼管選用壁厚11.13mm，DN250無縫鋼管選用壁厚9.27mm，對于本項目進站長輸管道選用的壁厚是可靠和足夠的。

4 結(jié)語

（1）國外油田項目的進站長輸管道，一般采用ASME B31.4標準進行壁厚計算和強度校核，采用BSI PD 8010-1標準進行彎曲減薄計算；

（2）所選擇的公稱壁厚是基于計算結(jié)果的最接近ASME B36.10M標準的厚度，根據(jù)不同管道直徑進行了合理化設(shè)計。強度校核包括環(huán)向應(yīng)力、熱膨脹應(yīng)力、附加軸向應(yīng)力和等效組合應(yīng)力校核。計算應(yīng)力小于許用應(yīng)力，則強度校核通過，選用的公稱壁厚是可靠和足夠的；

（3）以國外某油田項目為例，詳細介紹了進站長輸管道壁厚計算、彎曲減薄計算以及強度校核的全過程，并提供了典型參數(shù)的選取原則。計算過程采用清晰直觀的表格進行梳理和總結(jié)，可以應(yīng)用在油田管道設(shè)計的過程中。