李金成

河北渤海工程設(shè)計(jì)有限公司，河北 石家莊 050021

0 前言

壓縮天然氣供應(yīng)站、CNG加氣站同屬石油天然氣行業(yè)終端，對(duì)于此類站場(chǎng)雖然國(guó)家都有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范但都缺乏對(duì)工藝管道壁厚計(jì)算公式選取的具體要求。因此在行業(yè)內(nèi)一直存在兩種不同的觀點(diǎn)：一種是按石油天然氣行業(yè)及城鎮(zhèn)燃?xì)鈴?qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算；另一種是按工業(yè)管道強(qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算。其實(shí)，上述兩種計(jì)算公式本質(zhì)都一樣，不論是石油天然氣行業(yè)還是工業(yè)管道的強(qiáng)度計(jì)算公式都同屬于第三強(qiáng)度理論，只在表達(dá)上有所區(qū)別。石油天然氣行業(yè)采用鋼管最低屈服強(qiáng)度為設(shè)計(jì)參數(shù)，引入設(shè)計(jì)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，由最低屈服強(qiáng)度和設(shè)計(jì)系數(shù)的乘積得出設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力[1]。而工業(yè)金屬管道的壁厚計(jì)算參數(shù)則直接引用設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。

筆者認(rèn)為，兩個(gè)公式無(wú)本質(zhì)差別，只是安全系數(shù)選取不同而已，而對(duì)于壓縮天然氣供應(yīng)站來(lái)說(shuō)，其本身就屬于石油天然氣行業(yè)，所以對(duì)于此類站場(chǎng)管道壁厚計(jì)算按石油天然氣行業(yè)的計(jì)算公式采用鋼管最低屈服強(qiáng)度為設(shè)計(jì)參數(shù)，并結(jié)合設(shè)計(jì)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算更為安全。

1 行業(yè)特性

石油天然氣行業(yè)從油氣田的開(kāi)采到加工處理、管道輸送至長(zhǎng)輸站場(chǎng)再到其下游門(mén)站、加氣站都有自身的行業(yè)特性。GB 50350-2005 《油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》適用于油田、氣田集輸工程設(shè)計(jì)，涉及氣田采出氣的加壓，氣田內(nèi)管道壓力高達(dá)30 MPa甚至更高，該規(guī)范中油氣集輸管道壁厚用公式δ=（PD）/（2σsFφt）+C計(jì)算，式中采用鋼管最低屈服強(qiáng)度σs和設(shè)計(jì)系數(shù)F為計(jì)算參數(shù)[2]，應(yīng)用了第三強(qiáng)度理論。

油氣田凈化加壓處理后的天然氣經(jīng)管道輸送至各站場(chǎng)，在這些輸氣管道及站場(chǎng)（包括天然氣加壓站）設(shè)計(jì)中采用GB 50251-2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》管道壁厚公式δ=（PD）/（2σsFφt）計(jì)算，式中采用鋼管最低屈服強(qiáng)度σs和設(shè)計(jì)系數(shù)F為參數(shù)計(jì)算鋼管壁厚[3]，同樣應(yīng)用了第三強(qiáng)度理論。

GB 50028-2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》也提到壓力大于1.6 MPa小于4 MPa的鋼管采用第三強(qiáng)度理論δ=（PD）/（2σsFφt）公式計(jì)算管道壁厚[4]。

可見(jiàn)在整個(gè)石油天然氣行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈從始至終都是使用第三強(qiáng)度理論計(jì)算管道壁厚。

2 外部環(huán)境

對(duì)于石油天然氣行業(yè)管道強(qiáng)度計(jì)算所考慮的外部因素與工業(yè)管道不同，工業(yè)管道多處于工業(yè)園區(qū)，有的是專門(mén)規(guī)劃的化工園區(qū)，其外部環(huán)境與壓縮天然氣加氣站、供應(yīng)站不同。壓縮天然氣加氣站、供應(yīng)站多處于城市建成區(qū)，人口及商業(yè)、公共建筑往往較多，需考慮加大設(shè)計(jì)安全系數(shù)，提高工藝系統(tǒng)本質(zhì)安全[5]，而工業(yè)管道不區(qū)分這些因素。工業(yè)管道的強(qiáng)度計(jì)算理論與石油天然氣行業(yè)的強(qiáng)度計(jì)算理論雖都同為第三強(qiáng)度理論但其考慮的因素與石油天然氣行業(yè)不同，工業(yè)管道的強(qiáng)度計(jì)算公式主要考慮溫度的影響，隨使用溫度的增加其允許的許用應(yīng)力值減小。而石油天然氣行業(yè)主要考慮事故狀態(tài)對(duì)外部環(huán)境（周邊的人群、建筑物）的影響。

所以對(duì)處于天然氣行業(yè)終端的壓縮天然氣加氣站、供應(yīng)站中加壓前后的管道根據(jù)其建站所處地區(qū)人口及商業(yè)情況采用δ=（PD）/（2σsFφt）更為合適。式中引入鋼管最低屈服強(qiáng)度σs和設(shè)計(jì)系數(shù)F為計(jì)算參數(shù)計(jì)算管道壁厚。在人口稠密，商業(yè)建筑較多地區(qū)增大安全設(shè)計(jì)系數(shù)，保證管路系統(tǒng)本身的安全性。而不宜采用GB/T 20801.3-2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第3部分》中t=（PD）/[2（ sφ+PY）]公式，使用統(tǒng)一許用應(yīng)力值做為參數(shù)進(jìn)行管道壁厚計(jì)算[6]。

GB 50251-2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.2.1、4.2.2條解釋說(shuō)明中提到：天然氣管道許用應(yīng)力的取值根據(jù)所處地區(qū)等級(jí)不同在（0.4～0.7）σs之間選取，當(dāng)所處地區(qū)人口稠密、建筑較多時(shí)應(yīng)選用較小的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)降低許用應(yīng)力值，提高安全度，以確保管道周圍建筑物的安全。GB 50423-2007《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.2.4條也提到許用應(yīng)力值按強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)F乘以屈服強(qiáng)度σs進(jìn)行計(jì)算，這是我國(guó)石油天然氣行業(yè)管道強(qiáng)度計(jì)算理論的基本原則。而工業(yè)管道許用應(yīng)力值是溫度函數(shù)，這樣不論在什么樣的內(nèi)外部環(huán)境下只要工作溫度一定其取值就是固定的。

例如：304無(wú)縫鋼管管道外徑60 mm，屈服強(qiáng)度σs=205 MPa, 工作壓力25 MPa，設(shè)計(jì)壓力27.5 MPa ，工作溫度小于100 ℃，分別采用石油天然氣行業(yè)第三強(qiáng)度理論δ=（PD）/（2σsFφt）和GB/T 20801.3-2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第3部分》公式計(jì)算壓縮天然氣管道壁厚，按不同地區(qū)等級(jí)取設(shè)計(jì)系數(shù)F值(根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》表6.4.9選取)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 石油天然氣行業(yè)與工業(yè)管道壁厚計(jì)算

從表1可以看出按石油天然氣行業(yè)公式δ=（PD）/（2σsFφt）計(jì)算，根據(jù)不同地區(qū)等級(jí)計(jì)算的結(jié)果與工業(yè)管道計(jì)算結(jié)果相差大，原因是工業(yè)管道壁厚計(jì)算公式主要考慮溫度的影響，故對(duì)于壓縮天然氣加氣站、供應(yīng)站設(shè)計(jì)采用第三強(qiáng)度理論δ=（PD）/（2σsFφt）更為適宜。

3 工業(yè)管道對(duì)高壓管道設(shè)計(jì)要求

對(duì)PN16～32 MPa高壓管道、管件，我國(guó)最早有化工部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)H1～31-67《高壓管件及緊固件通用設(shè)計(jì)》，該標(biāo)準(zhǔn)沿用至今。在HG/T 20553-2011《化工配管用無(wú)縫及焊接鋼管尺寸選用系列》中提到H1～31-67《高壓管件及緊固件通用設(shè)計(jì)》依然有效，雖然H1～31-67標(biāo)準(zhǔn)允許直接在管道上開(kāi)等徑三通，對(duì)管道壁厚做了補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，增加了管道壁厚，同時(shí)也考慮了加工螺紋時(shí)產(chǎn)生的壁厚減薄量，但根據(jù)GB/T 196-2003《普通螺紋 基本尺寸》、GB/T 197-2003《普通螺紋 公差》和 GB/T 12716-2011《60°密封管螺紋》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，1"～2"（外徑最大到114 mm）螺紋最大加工深度為1.76 mm，采用H1～31-67標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，三通開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)厚度保守估算為2 mm（主管和支管各自都增加2 mm補(bǔ)強(qiáng)厚度），則H1～31-67《高壓管件及緊固件通用設(shè)計(jì)》壁厚對(duì)于對(duì)焊管件來(lái)說(shuō)至少有2 mm的余量（螺紋加工深度與開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)增加厚度不進(jìn)行疊加計(jì)算）。

2010年我國(guó)發(fā)布JB/T 2768-2010《閥門(mén)零部件 高壓管子 管件和閥門(mén)端部尺寸》，其中PN25 MPa、PN32 MPa的外螺紋連接高壓管道規(guī)格與H1～31-67《高壓管件及緊固件通用設(shè)計(jì)》標(biāo)準(zhǔn)所列管道規(guī)格完全一致，如果按該標(biāo)準(zhǔn)中提到的螺紋加工要求符合GB/T 12716-2011標(biāo)準(zhǔn)，則1"～2"（外徑最大到114 mm）螺紋最大加工深度為1.76 mm，減去此部分厚度后JB/T 2768-2010《閥門(mén)零部件 高壓管子 管件和閥門(mén)端部尺寸》中的管道壁厚見(jiàn)表2。

目前我國(guó)常用法蘭標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20592～20635-2009中美洲體系PN260對(duì)應(yīng)的整體法蘭接管規(guī)格在該規(guī)范表8.2.4-5中已經(jīng)給出其連接管道壁厚值，其壁厚基本與H1～31-67《高壓管件及緊固件通用設(shè)計(jì)》、JB/T 2768-2010《閥門(mén)零部件 高壓管子 管件和閥門(mén)端部尺寸》壁厚一致（見(jiàn)表2）。

按石油天然氣行業(yè)采用第三強(qiáng)度理論δ=（PD）/（2σsFφt）計(jì)算壓縮天然氣供應(yīng)站、加氣站內(nèi)工藝管道壁厚，設(shè)計(jì)壓力取27.5 MPa，按地區(qū)等級(jí)取設(shè)計(jì)系數(shù)F值(根據(jù)GB 50028-2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》表6.4.9選取，取F=0.4)。各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算結(jié)果比較見(jiàn)表2[7-9]。

表2 各標(biāo)準(zhǔn)高壓管道壁厚比較表

由表2可見(jiàn)，在不考慮螺紋加工深度的情況下我國(guó)現(xiàn)行的JB/T 2768-2010《閥門(mén)零部件 高壓管子 管件和閥門(mén)端部尺寸》、H1～31-67《高壓管件及緊固件通用設(shè)計(jì)》、HG/T 20615-2009《鋼制法蘭（Class系列）》所列的PN32MPa系列管道外徑和壁厚的數(shù)值與δ=（PD）/（2σsFφt）公式計(jì)算結(jié)果基本一致。

綜上，我國(guó)工業(yè)管道在PN16 MPa、PN32 MPa高壓管道設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算管道壁厚也加大了安全系數(shù)，比采用GB/T 20801.3-2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第3部分》所給的公式計(jì)算值要厚，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于此類高壓系統(tǒng)管道通常都是直接選用標(biāo)準(zhǔn)而不再按GB/T 20801.3-2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第3部分》進(jìn)行管道壁厚計(jì)算。

所以對(duì)于與長(zhǎng)輸管道、城市燃?xì)饷芮邢嚓P(guān)的壓縮天然氣供應(yīng)站、加氣站站場(chǎng)內(nèi)管道壁厚計(jì)算,采用第三強(qiáng)度理論δ=（PD）/（2σsFφt）能與目前我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)更好地配套使用。

4 與上游輸氣管道銜接

作為壓縮天然氣供應(yīng)站、加氣站不論是母站還是標(biāo)準(zhǔn)站其氣源都來(lái)自長(zhǎng)輸管道或門(mén)站，如果是長(zhǎng)輸管道來(lái)氣按GB 50251-2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》輸氣站場(chǎng)內(nèi)管道壁厚計(jì)算采用δ=（PD）/（2σsFφt），如果是門(mén)站按GB 50028-2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》也提到壓力大于1.6 MPa小于4MPa的鋼管計(jì)算采用第三強(qiáng)度理論δ=（PD）/（2σsFφt），對(duì)同一站場(chǎng)內(nèi)管道壁厚計(jì)算應(yīng)選用統(tǒng)一的計(jì)算公式，也不宜前段進(jìn)站管道采用一個(gè)計(jì)算公式，壓縮機(jī)加壓后再采用另一個(gè)計(jì)算公式。同時(shí)作為輸氣站場(chǎng)或者城市門(mén)站選用的管材通常采用GB/T 9711-2011 《石油天然氣工業(yè)管線輸送用鋼管》標(biāo)準(zhǔn)，在該標(biāo)準(zhǔn)中只給出了屈服強(qiáng)度值而查不到相應(yīng)溫度下的許用應(yīng)力值，在其他現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中也很難查找，這樣在利用工業(yè)管道計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算時(shí)就造成許用應(yīng)力取值的問(wèn)題，究竟如何取值難以確定也無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所以對(duì)于與長(zhǎng)輸管道、城市燃?xì)饷芮邢嚓P(guān)的壓縮天然氣供應(yīng)站、加氣站站場(chǎng)內(nèi)管道壁厚計(jì)算采用第三強(qiáng)度理論δ=（PD）/（2σsFφt）更為合適。

5 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局要求

目前國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督總局雖然要求天然氣站場(chǎng)、城鎮(zhèn)燃?xì)庹緢?chǎng)、加氣站站內(nèi)管道按工業(yè)管道監(jiān)管，但國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督總局也強(qiáng)調(diào)只是按工業(yè)管道監(jiān)管，其相關(guān)設(shè)計(jì)應(yīng)按相關(guān)國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，工業(yè)管道監(jiān)察規(guī)程只是最低要求。通過(guò)上述計(jì)算舉例可以看出，按現(xiàn)行石油天然氣行業(yè)公式進(jìn)行計(jì)算得到的管道壁厚完全滿足監(jiān)察規(guī)程的要求，與監(jiān)察規(guī)程不矛盾。

6 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算可看出，根據(jù)壓縮天然氣供氣站所建地理位置適當(dāng)加大安全設(shè)計(jì)系數(shù)，對(duì)于在城市建成區(qū)內(nèi)建設(shè)該類項(xiàng)目管道壁厚計(jì)算選用公式δ=（PD）/（2σsFφt）更為合適。另外，從管道選材、管件選取也更能和我國(guó)國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)配套使用。

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