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青树勇，蔡峰峰 (中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京 100085) 摘要：对于油气长输管道工程，管道壁厚的选择影响管道结构安全，还直接影响工程总投资，因此合理地确定壁厚很重要。文中通过引用陆上及海底管道设计中常用的规范，介绍了陆上及海底油气管道的壁厚计算方法，同时介绍了通过强度校核来校核计算壁厚并选择标准壁厚。为从事陆上长输管道设计的人员在进行海底管道设计时选择壁厚提供参考。 关键词：管道计算壁厚；管道选取壁厚；强度校核；油气长输管道 1 管道壁厚设计特点长输管道工程设计的一项重要内容,就是在确定管道管径之后,进行管道壁厚的计算并选择合适壁厚。对于长输管道工程，管道壁厚的大小，除影响管道的结构稳定性、安全性之外，还直接影响管材总质量，从而影响整个工程投资。 对于陆上大口径长输管道，管材投资通常能占到整个工程投资的40%。而对于海底管道工程，除了投资因素的影响，管道壁厚的增加，还会直接导致管道吊装、安装的施工变得困难。 2 管道壁厚计算方法长输管道通常根据内压、外压、管径、管材最低屈服极限、腐蚀余量、制造公差等因素，通过计算得到计算壁厚，并根据所选管材规范向上选取标准壁厚。再根据强度校核、稳定性校核、屈曲校核等多项校核内容验算选择的标准壁厚是否合理。 对于陆上长输管道，管道的壁厚可以按照GB50251-2015[1]、GB50253-2014[2]提供的环向应力公式进行计算： t= (1) 式中：t为钢管计算壁厚,mm；p为输送介质设计内压力,MPa；Ds为钢管外直径,mm； [σ]为输送钢管许用应力,MPa。 对于输气管道: [σ]=FΦTσs 式中：σs为钢管的最小屈服强度,MPa；F为强度设计系数；Φ为焊缝系数；T为温度折减系数。 对于输油管道: [σ]=FΦσs 对于海洋集输工程，除海底管道外,通常还有立管，立管壁厚可以参照API RP 2RD[3]规范确定。本文仅讨论不包含立管的海底长输管道工程壁厚设计。对于海底长输管道，通常选用DNV及API等规范进行设计。由于新版的DNV及API规范中，均取消了环向应力法计算管道壁厚的推荐公式，本文引用ASME B31.4[4]及ASME B31.8[5]推荐的公式计算壁厚，两者差别不大。对于薄壁管，在壁厚满足D/t≥30时，可采用下列公式计算： t= (2) 式中：t为钢管计算壁厚,mm；pi为输送介质设计内压力,MPa；pe为管道外压力,MPa；D为钢管外直径,mm；Sh为输送钢管许用应力,MPa。 对于输气管道: Sh≤F1ST 式中:S为钢管的最小屈服强度,MPa；F1为强度设计系数。 对于输油管道: Sh≤F1S 根据计算得出的壁厚，向上选取标准壁厚t0。对于陆上管道还需要满足：D/t0≤100；海底管道还需要满足：D/t0≤45。 3 强度校核验算计算壁厚对于选取的标准壁厚，还需要通过强度校核、稳定性校核、抗震校核、组合应力校核等多种方式来判断管道是否安全。各种校核方式中，强度校核与壁厚关系最密切。强度校核不能通过时，需要增加管道壁厚重新校核，之后再进行稳定性、抗震等校核。 对于陆上埋地嵌固段管道，可以根据式(3)，判断管道的当量应力值，校核管道强度。 σe=σh-σL<>σs (3) 式中：σe为当量应力，MPa；σh为由内压产生的管道环向应力，MPa；σL为管道的轴向应力，拉应力为正，压应力为负，MPa。 海底管道的强度校核主要包括内压作用下的爆裂分析，外压作用下的压溃分析，以及屈曲传播分析，可采用DNV规范[6]相关规定进行判断。对于不同校核情况，以下公式中，参与计算的壁厚值是不一致的[7]。 管道的爆裂分析是基于其局部偶然荷行计算的。爆裂校核满足以下条件： plx-pe≤ (4) 式中：plx=pli(运行期pli 为在位偶然压力)，MPa；plx=plt(水压测试阶段plt 为在位水压测试压力)；pe 为外部压力，MPa；γsc 为安全等级阻力系数；γm 为材料阻力系数；pb(t1) 为爆裂阻力，MPa。 管道的压溃分析是考虑管道上任意一点承受外压而不会出现溃变。压溃校核需满足以下条件： pe-pmin≤ (5) 式中：pc为压溃分析的特征抗力，MPa；pmin为最小内压，MPa；对于新建工程，通常取pmin=0。 在一些偶然荷载或疲劳破坏的影响下，管道局部点会出现屈曲并传播开。为避免屈曲传播，通常可采取加装止屈器或者在一定距离内加大管壁厚的方式[8]。防止管道产生屈曲需满足以下条件： pe-pmin≤ (6) 式中ppr为屈曲产生时的传递压力，MPa。 除此之外，海底管道还需要进行悬跨分析、地震分析、组合应力分析等来判断管道的安全情况。 4 工程算例以某工程一条270 km长的包含陆上及海底的长输输油管道为例，选取管道壁厚。该管道所在的海域为浅海，最深处海水深度为105.9 m。管材为高频电阻焊(HFW)钢管，管道外径为323.8 mm，设计内压力为8.2 MPa，管道材质为API 5L X60，管道安装温度为13 ℃，设计温度为55 ℃，管道腐蚀裕量为3 mm。为简化计算，海底管道仅考虑管道位于1区的情况，陆上管道考虑为一般地区，选用API 5L[8]推荐的管材，设计系数统一考虑为0.72。 海底管道考虑pe=0，可以得到壁厚的较大值。根据式(1)和式(2)，得到陆上管道和海底管道的壁厚计算值为t=7.45 mm，根据规范ASME B36.10[9]向上选取标准壁厚t0=7.92 mm；通过强度校核公式，分别验算陆上管道和海底管道选取壁厚是否合适。 对于陆上管道，从表1中的数据可以看出，当选取的标准壁厚提高至8.74 mm时，方能符合强度校核要求。 表1 陆上管道强度校核  序号选取标准壁厚/mm环向应力σh/MPa轴向应力σL/MPa当量应力σe/MPa0.9σs是否合格1t0=7.92269.8-15.9285.7268.92σe>0.9σs,不合格2t1=8.38246.8-22.9269.7268.92σe>0.9σs,不合格3t2=8.74231.3-27.5258.8268.92σe<> 对于海底管道，依次根据式(4)～式(6)进行校核，本文仅列出操作工况下的校核结果。 (1)爆裂分析：代入t0=7.92 mm计算，检查项UC= (2)压溃分析：代入t0=7.92 mm计算，检查项UC= (3)屈曲失稳分析：代入满足压溃分析的标准壁厚8.74 mm计算，检查项UC= 为避免全线管道壁厚增加造成浪费，壁厚最终选取方案为：陆上管道选取标准壁厚8.74 mm。海底管道，选取管道标准壁厚为8.74 mm，为防止屈曲失稳，需要每间隔一定距离，就将一根管道壁厚加大至12.7 mm。以保证事故状态下能将损失降到最低。 5 结束语陆上和海底长输管道工程壁厚初步计算时，两者应用的公式是基本一致的，通过强度校核计算可以简单地判断选取壁厚是否符合要求。由于海底管道所处工况多样，使得海底管道的校核过程更复杂。算列中并未考虑海底管道稳定性校核、悬跨分析等，计算得到的壁厚值与陆上管道一致，属于特殊情况。通常情况下，海底管道选用壁厚也比陆上管道的壁厚大。陆上管道强度校核还需要考虑弯曲应力，海底管道还需要考虑组合应力。对于长输管道工程，管材用量大，工程中应尽量选择合理的壁厚。实际的项目中，除考虑壁厚要符合强度设计外，还需要考虑管材的制造、焊接以及现场安装等多种因素。应尽量避免出现壁厚规格太多，壁厚变化太大的情况。 参考文献： [1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.输气管道工程设计规范:GB 50251—2015[S].北京：中国计划出版社，2015. [2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.输油管道工程设计规范：GB 50253—2014 [S].北京：中国计划出版社，2014. [3] American Petroleum Institute.Design of Risers for Floating Production Systems(FPSs) and Tension-Leg Platforms(TLPs)：API RP 2RD—2006[S].Washington，D．C．:API,1998. [4] The American Society of Mechanical Engineers.Pipeline Transportation Systems for Liquids and Slurries：ASME B31.4—2016[S]. New York: ASME，2016. [5] The American Society of Mechanical Engineers.Gas Transmission and Distribution Piping Systems：ASME B31.8—2014[S]. New York: ASME，2014. [6] Det Norske Veritas.Submarine Pipeline Systems:Offshore Standard DNV-OS-F101—2010[S]: DNV，2010. [7] 刘英宝，王德禹，冯春健.海底管道设计壁厚和计算壁厚的选取[J].中国海洋平台，2003，18(4):38-40. [8] 王宝昌.海底输气管道强度设计[J].石油规划设计，1997(4):28-29. [9] The American Society of Mechanical Engineers.Welded and Seamless Wrought Steel Pipe:ASME B36.10—2015[S]. New York: ASME，2015. Determination and Verification for Wall Thickness of Onshore and Offshore Oil and Gas Long-distance Pipeline QING Shu-yong, CAI Feng-feng (China Petroleum Engineering Co., Ltd. Beijing Company,Beijing 100085,China) Abstract：For long distance oil and gas pipeline project, the determination of wall thickness affects both the safety of pipeline structure and investment of the project, it is very important for determing the wall thickness reasonably. In this paper, through citing the common standard in designing onshore and offshore oil and gas pipeline, thickness calculation method of onshore and offshore oil and gas pipeline was introduced, meanwhile wall thickness was checked and calculated and standard wall thickness was selected, thus providing the reference for designers who design the onshore pipeline to select wall thickness when designing offshore oil and gas pipeline. Keywords：pipeline wall thickness calculation; pipeline wall thickness selection;strength verification; oil and gas long-distance pipeline 收稿日期：2016-09-28 中图分类号：TE8 文献标识码：A 文章编号：1004-9614(2017)01-0058-03 作者简介：青树勇(1983—)，工程师，主要从事油气管道设计工作。 |
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