□文/王 健 羅麗娜

4.0MPa燃氣輸配系統(tǒng)中的管道選材分析

□文/王 健 羅麗娜

通過計算、校核及經(jīng)濟比選、規(guī)范要求和焊接難度，得出4.0 MPa燃氣輸配系統(tǒng)所用管材較經(jīng)濟的壁厚及材質組合。

4.0 MPa；管材；壁厚；燃氣；輸配系統(tǒng)

隨著天津城市建設的快速發(fā)展及“十二·五”期間節(jié)能減排形勢的日益嚴峻，大批高耗能企業(yè)及燃煤鍋爐房都將改造使用天然氣這種優(yōu)質能源，用氣量的大幅增加需要天津市新建燃氣管網(wǎng)設計壓力提升到城鎮(zhèn)燃氣最高壓力4.0 MPa，如何保證管材的選用安全、經(jīng)濟成為現(xiàn)階段工程建設面臨的一大課題。

1 制管標準的選取

根據(jù)GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》規(guī)定，壓力＞1.6 MPa室外燃氣管道選用的鋼管應符合GB/9711.1—1997《石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術條件第 1部分：A級鋼管》(L175級鋼管除外)、GB/T 9711.2—1999《石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術條件第2部分：B級鋼管》和GB/T 8163—1999《輸送流體用無縫鋼管》的規(guī)定或符合不低于上述3項標準相應技術要求的其他鋼管標準。三級和四級地區(qū)高壓燃氣管道材料鋼級不應低于L245。因B級鋼管質量要求嚴于A級鋼管（如韌性、無損檢測、壁厚公差等）并考慮使用區(qū)域為千萬人口的超大城市，為保證安全選用B級鋼管。鋼級L245的B級鋼管與20#無縫鋼管的最小屈服強度均為245 MPa，為便于采購、焊接，故在4.0 MPa系統(tǒng)中統(tǒng)一采用B級鋼管。

2 工藝計算與校核

天津4.0 MPa燃氣輸配系統(tǒng)中干線管徑主要為DN700 mm、DN800 mm、DN1 000 mm，本文只對這 3 種管徑進行分析計算。

2.1 直管段壁厚計算

直管段壁厚按式（1）計算：

式中：δ為鋼管計算壁厚，mm；P為設計壓力，4.0 MPa；D為管道外徑，mm；σs為鋼管最低屈服強度，MPa；φ為焊縫系數(shù)，取1；F為強度設計系數(shù)，天津主要為三級（取0.4）和四級地區(qū)（取 0.3）。

式（1）的結算結果見表1和表2。

表1 用于三級地區(qū)鋼管壁厚計算結果 mm

表2 用于四級地區(qū)鋼管壁厚計算結果 mm

計算結果中的所有壁厚均大于規(guī)范要求的最小壁厚。如采用L245鋼級，因計算壁厚較大，不利于焊接、運輸且內徑小，降低了流通能力，故排除此鋼級。GB 50028—2006第6.4.12、6.4.15條規(guī)定，三級地區(qū)鋼管管徑≥11.9 mm、四級地區(qū)鋼管管徑≥9.5 mm時，燃氣管道與建筑物的水平凈距分別可縮短到8 m和15 m，為減少拆遷量并為今后城市建設預留空間，主干線管道壁厚統(tǒng)一要求≥11.9 mm。根據(jù)上述原因，結合B級鋼管壁厚分級，壁厚及鋼級初選結果見表3和表4。

表3 用于三級地區(qū)鋼管的選用壁厚 mm

表4 用于四級地區(qū)鋼管的選用壁厚 mm

2.2 直管段徑向穩(wěn)定性校核

按照GB 50251—2003《輸氣管道工程設計規(guī)范》第5.1.4條校核：

式中：Δx為鋼管水平方向最大變形量，m；Dm為鋼管平均直徑，m；W為作用在單位管長上的總豎向荷載，N/m；W1為單位管長的豎向永久荷載，N/m；W2為地面可變荷載傳遞到管道上的荷載，N/m；Z為鋼管變形滯后系數(shù)，取1.5；K為基床系數(shù)，取0.085；E為鋼材彈性模量，取 2.05×1011，N/m2；I為單位管長截面慣性矩 m4/m；ES為土壤變形模量，取4.8 MN/m2。

式（2）～（5）的計算結果見表 5。

表5 徑向穩(wěn)定性校核結果（均取最小壁厚） mm

由表 5可看出，DN1 000 mm、壁厚為 12.5 mm時，不滿足徑向穩(wěn)定性要求，其他壁厚均滿足要求。

2.3 當量應力校核

按照GB 50251—2003規(guī)定，埋地管道需進行管道應力校核：

式中：бe為當量應力，MPa；бh為由內壓產(chǎn)生的環(huán)向應力，MPa；бa為軸向應力，MPa；E為鋼材的彈性模量，2.05×105MPa；α為鋼材線膨脹系數(shù)，12×10-6/℃；μ為泊桑比，取0.3；P為設計壓力，4.0 MPa；d為管道內徑，cm；δ為管道壁厚，cm；бs為管材最小屈服強度,MPa；t1為管道下溝回填時溫度，取15℃；t2為管道的工作溫度，取20℃。

式（6）～（8）的計算結果見表 6。

表6 當量應力校核結果（取最小壁厚及最小屈服強度）

由表6可看出，當量應力均＜0.9σs，滿足要求。

3 經(jīng)濟比選

經(jīng)上述計算，確定用于三級地區(qū)鋼管的鋼級及壁厚可按表7選取，不再進行經(jīng)濟比選。

表7 用于三級地區(qū)鋼管的選用壁厚 mm

用于四級地區(qū)鋼管經(jīng)濟比較見表8-表10。

表8 DN700 mm管道經(jīng)濟比較

表9 DN800 mm管道經(jīng)濟比較

表10 DN1 000 mm管道經(jīng)濟比較

經(jīng)比較，用于四級地區(qū)的鋼管采用下述規(guī)格費用（僅為材料費）最少。DN700 mm管道采用φ711 mm×12.5 mm，材質 L415；DN800 mm 管道采用φ813 mm×12.5 mm，材質 L450；DN1 000 mm管道采用φ1 016 mm×14.2 mm，材質 L485。

4 結語

通過計算、校核、經(jīng)濟比選，兼考慮了規(guī)范要求和焊接難度，得出較經(jīng)濟的壁厚及材質組合。在實際工程中，還需考慮采購、市場價格波動及自身施工技術水平。

□羅麗娜/天津市建設發(fā)展總公司。

TU996.7+2

C

1008-3197（2012）03-66-02

2012-02-08

王 健/男，1980年出生，工程師，天津市燃氣熱力規(guī)劃設計院，從事燃氣管網(wǎng)規(guī)劃設計工作。