徐敬，石光平，付現(xiàn)橋，卜明哲，劉志田，劉洋，許立娟，李山山

儲(chǔ)氣庫(kù)注氣管道選用研究

徐敬1，石光平2，付現(xiàn)橋1，卜明哲1，劉志田1，劉洋1，許立娟1，李山山1

（1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北 任丘 062522； 2. 中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司，北京 100091）

為了確保儲(chǔ)氣庫(kù)注氣管道系統(tǒng)安全可靠，保證生產(chǎn)和安全，結(jié)合國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，從石油天然氣行業(yè)自身特點(diǎn)系統(tǒng)分析了高壓注氣管道選擇的影響因素。通過(guò)本文分析可知采用GB 50350《油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)注氣管道進(jìn)行選擇及校核，符合設(shè)計(jì)要求。

注氣; 管道; 壁厚

隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)，天然氣取代煤等燃料的應(yīng)用日趨增加。以北方民用為例，由于近年霧霾的嚴(yán)重影響下，北方的很多城市強(qiáng)制用清潔的天然氣代替煤等燃料。由于天然氣的用量受氣候、時(shí)間段、用戶和用量等因素影響存在較大的不均衡性。靠天然氣管道和氣田調(diào)峰手段弱，根本滿足不了天然氣下游市場(chǎng)的需要。為了滿足天然氣用戶的因時(shí)間段造成的不均衡，運(yùn)營(yíng)商除利用管道外還應(yīng)當(dāng)有其他的儲(chǔ)存方法，以便隨時(shí)調(diào)整天然氣的輸出量以保證用戶的需求[1-4]。

地下儲(chǔ)氣庫(kù)因儲(chǔ)氣量大、安全系數(shù)高、經(jīng)濟(jì)效益好，成為儲(chǔ)存天然氣的一種好方法。但是由于地下儲(chǔ)氣庫(kù)注氣壓力較大，管道選擇成為其重要的影響因素[1-4]。本文以某油田儲(chǔ)氣庫(kù)工程為例來(lái)對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)注氣管道選擇進(jìn)行介紹。

1 管道壁厚計(jì)算

1.1 《油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》管道壁厚計(jì)算公式[9]

根據(jù)《油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50350-2005第8.1.4條的管道壁厚計(jì)算公式進(jìn)行注氣管道壁厚計(jì)算[6,9]：

式中：δ —鋼管壁厚，mm；

δt—鋼管計(jì)算壁厚，mm；

P —設(shè)計(jì)壓力，MPa；

D —鋼管外徑，mm；

S—鋼管最低屈服強(qiáng)度，MPa；

F —設(shè)計(jì)系數(shù)（本文儲(chǔ)氣庫(kù)注氣管道所處地區(qū)等級(jí)為二級(jí)，F(xiàn)值取0.6）；

φ —焊縫系數(shù)（取1）；

t —溫度折減系數(shù)（本文儲(chǔ)氣庫(kù)注氣管道溫度為 20～40 ℃時(shí)，t值取1.0）；

C —腐蝕裕量附加值，mm（本工程注氣管道腐蝕余量取值均為0 mm）。

1.2 《工藝管道》管道壁厚計(jì)算公式[8]

根據(jù)ASME B31.3《工藝管道》規(guī)定，對(duì)于t

式中：C—加工裕量與腐蝕及沖蝕裕量總和（本文取0），mm；

tm—包括各項(xiàng)裕量在內(nèi)的最小所需厚度，mm；

D —鋼管外徑，mm；

E —質(zhì)量系數(shù)；

P —內(nèi)壓，MPa；

S —許用應(yīng)力值，MPa；

W —焊接接頭強(qiáng)度降低系數(shù)；

Y —見(jiàn)《工藝管道》表304.1.1。

1.3 《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》管道壁厚計(jì)算公式[11]

根據(jù)ASME B31.8《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》規(guī)定，管道壁厚計(jì)算公式為：

式中：t —壓力設(shè)計(jì)的厚度，mm；

T —溫度折減系數(shù)（本文儲(chǔ)氣庫(kù)注氣管道溫度為 20～40℃時(shí)，t值取1.0）；

D —管子外徑，mm；

E —質(zhì)量系數(shù)；

P —內(nèi)壓，MPa；

S —許用應(yīng)力值，MPa；

F —為設(shè)計(jì)系數(shù)（本文儲(chǔ)氣庫(kù)注氣管道所處地區(qū)等級(jí)為二級(jí)，F(xiàn)值取0.6）。

1.4 管道選擇

管道設(shè)計(jì)壓力為30 MPa，管徑為D355.6 mm，現(xiàn)對(duì)上述管徑、壓力的管道進(jìn)行鋼級(jí)比選，具體見(jiàn)表1。

采用ASME B31.3 《工藝管道》計(jì)算方法，在按照設(shè)計(jì)條件的計(jì)算壁厚的情況下，應(yīng)考慮12.5 %工廠制造偏差，另根據(jù)ASME B31.3 《工藝管道》規(guī)定，壁厚規(guī)格按照ASME B36.10M 選取常用壁厚[5-7]。

采用ASME B31.8 《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》（地區(qū)設(shè)計(jì)系數(shù)為0.6）計(jì)算方法，壁厚規(guī)格按照ASME B36.10M 選取常用壁厚[5-7]。

按照GB 50350《油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》（地區(qū)設(shè)計(jì)系數(shù)為0.6），并與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家溝通選擇相應(yīng)的壁厚。與ASME B31.3《工藝管道》中的計(jì)算公式，三種計(jì)算方法結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。

三種規(guī)范的壁厚計(jì)算結(jié)果不一致，可以看出不同鋼級(jí)的GB 50350《油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》的計(jì)算值與ASME B31.8 《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》一樣，與ASME B31.3《工藝管道》相比要小很多。由于根據(jù)ASME B31.3《工藝管道》不同鋼級(jí)的許用應(yīng)力較小，不考慮地區(qū)等級(jí)，其計(jì)算結(jié)果較大。根據(jù)GB 50350《油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》和ASME B31.8 《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》壁厚計(jì)算結(jié)果一樣，但由于國(guó)內(nèi)外管道廠家生產(chǎn)厚度的區(qū)別，選取的壁厚有差異[5-7]。

通過(guò)比較，并考慮到節(jié)省鋼材資源、經(jīng)濟(jì)、性價(jià)比高、方便統(tǒng)一購(gòu)貨等因素，以及國(guó)內(nèi)生產(chǎn)鋼管用板、卷的供貨情況，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)其它工程實(shí)際應(yīng)用情況，本儲(chǔ)氣庫(kù)注采管道選?。篖450無(wú)縫鋼管D355.6×22.2。

2 管道校核

2.1 直管段強(qiáng)度校核

按照GB 50350《油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于埋地管道必須進(jìn)行當(dāng)量應(yīng)力校核。校核結(jié)果必須滿足下式要求：

式中：σe—當(dāng)量應(yīng)力，MPa；

σh—由內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力， MPa；

P —管道設(shè)計(jì)內(nèi)壓力，MPa；

D —管子外徑，mm；

δ —管子壁厚，mm；

σL—管道的軸向應(yīng)力，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，MPa；

μ —泊桑比，取值為0.3；

E —鋼材彈性模量，E＝2.05×105MPa;

α —鋼材線膨脹系數(shù)，α＝1.2×10-5℃-1;

t1—管道連頭閉合時(shí)溫度，10℃；

t2—管道的運(yùn)行最高設(shè)計(jì)溫度，注氣管線40℃；

σs—管子規(guī)定的最低屈服強(qiáng)度，MPa。

不同鋼管的強(qiáng)度校核結(jié)果見(jiàn)表2，其結(jié)果顯示本工程選取的鋼管支管段強(qiáng)度滿足要求。

2.2 直管穩(wěn)定性校核

2.2.1 管線的剛度校核

在鋼管正常運(yùn)輸、鋪設(shè)、埋管等情況下，只有直徑與厚度比D/δ＞140時(shí)才不會(huì)出現(xiàn)鋼管圓截面失穩(wěn)的發(fā)生。根據(jù)《油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》

GB50350-2005要求，經(jīng)過(guò)計(jì)算，本工程用管的直徑與厚度比遠(yuǎn)小于140，因此，鋼管不會(huì)出現(xiàn)圓截面失穩(wěn)問(wèn)題。

2.2.2 管線的徑向穩(wěn)定性校核

在本工程中，管道的直徑壁厚比小于140。因此，在正常的運(yùn)輸、鋪設(shè)、埋管情況下，鋼管不存在圓截面失穩(wěn)問(wèn)題，滿足管道穩(wěn)定性的要求。但在某些地段管線埋深會(huì)較深，在此種情況下，對(duì)管線的徑向穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算[12]。

管道的徑向穩(wěn)定性按無(wú)內(nèi)壓狀態(tài)校核：

式中：ΔX－鋼管水平方向最大變形量，m；

D－管子外徑，m；

Dm－管子平均直徑，m；

Z－管子變形滯后系數(shù)（本文取1.5）；

K－基床系數(shù)；

E－鋼材彈性模量，N/m2；

I－單位管壁截面慣性矩，m4/m；

δn－鋼管公稱壁厚，m；

Es－土壤變形模量，N/m2。

W－作用在單位管長(zhǎng)上的總豎向載荷，N/m。經(jīng)核算，注氣管道在設(shè)計(jì)埋深及外載荷情況下滿足徑向穩(wěn)定要求，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

2.3 管道的抗震校核計(jì)算

根據(jù)《油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50350-2005要求，管線在經(jīng)過(guò)地震動(dòng)峰值加速度大于0.05g地區(qū)時(shí)，應(yīng)對(duì)管道在地震作用下的強(qiáng)度進(jìn)行校核，本工程沿線地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，因此需要進(jìn)行抗震校核[10]。

（1）在地震動(dòng)作用下埋地直管道所產(chǎn)生的最大軸向應(yīng)變，按下列公式計(jì)算，并取較大值:

式中：εmax—地震波引起的最大管道軸向應(yīng)變；

α —設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度，m/s2，本文取0.2g；

ν —設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值速度，m/s，本文取0.25；

νse—場(chǎng)地土層等效剪切波速，m/s，本文取300；

Tg—地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期，s，本文取0.45。

（2）工作條件下的管道軸向應(yīng)變

式中：ε —由于內(nèi)壓和溫度變化產(chǎn)生的管道軸向應(yīng)變；

σ —由于內(nèi)壓和溫度變化產(chǎn)生的管道軸向應(yīng)力，MPa；

σh—由內(nèi)壓產(chǎn)生的管道環(huán)向應(yīng)力，MPa；

p —管道的設(shè)計(jì)內(nèi)壓力，MPa；

δn—管子公稱壁厚；

α —設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度（m/s2），取最大值0.20 g；

d —管子內(nèi)徑，mm；

E —鋼材的彈性模量，MPa。

t1—管道下溝回填時(shí)溫度，取施工最低溫度0 ℃；

t2—管道的工作溫度，取出站最高溫度50 ℃。

（3）管道抗震動(dòng)校核

當(dāng)εmax+ε≤0時(shí)，│εmax+ε│≤[εc]v；

當(dāng)εmax+εe≥0時(shí)，εmax+ε≤[εt]v；

式中：［εt］v，［εc］v—埋地管道抗振動(dòng)的軸向容許拉伸、壓縮應(yīng)變。

（4）管道抗震的軸向容許應(yīng)變

設(shè)計(jì)中，單井管線采用的是L450鋼級(jí)的管道，所以容許壓縮應(yīng)變可按下式計(jì)算：

式中：δ－管道壁厚；

D－管子外徑。

設(shè)計(jì)中所選 L450鋼級(jí)的鋼管最高拉伸強(qiáng)度極限為535MPa＜552MPa，容許拉伸應(yīng)變［εt］v=1.0%。

（5）計(jì)算結(jié)果

直管段管道抗震校核計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

通過(guò)對(duì)本工程不同用管及工作條件的抗震校核，管道通過(guò)設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度大于或等于0.2g地區(qū)，管道的計(jì)算應(yīng)變滿足抗震校核設(shè)計(jì)中的容許應(yīng)變。

3 結(jié) 論

本文根據(jù) GB 50350《油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》、ASME B31.8《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》和ASME B31.3《工藝管道》對(duì)某儲(chǔ)氣庫(kù)注氣管道壁厚進(jìn)行計(jì)算比較。由于ASME B31.3計(jì)算時(shí)不考慮地區(qū)等級(jí)，許用應(yīng)力較小，管道厚度計(jì)算值偏大。GB 50350和ASME B31.8計(jì)算值一樣，但由于國(guó)內(nèi)外的制管廠所執(zhí)行的生產(chǎn)體系等不同，所選擇的管道壁厚存在差異，鑒于國(guó)內(nèi)鋼管生產(chǎn)現(xiàn)狀，本文建議采用 GB 50350標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇儲(chǔ)氣庫(kù)注氣管道。

［1］丁國(guó)生. 全球地下儲(chǔ)氣庫(kù)的發(fā)展趨勢(shì)與驅(qū)動(dòng)力[J]. 集輸工程, 2010, 30(8): 59-61.

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Research on Selection of Gas Injection Pipelines of Gas Storage

XV Jing1,SHI Guang-ping2,FU Xian-qiao1,BU Ming-zhe1,LIU Zhi-tian1,LIU Yang1,XV Li-juan1,LI Shan-shan1
（1. China Petroleum Engineering Huabei Company, Hebei Renqiu 062522, China；2. China Petroleum Engineering Beijin Company, Beijing 100091, China）

In order to guarantee safety and reliability of gas injection pipeline for gas storage systems, combined with the standards at home and abroad, based on oil and gas industry's own characteristics, the influence factors of selecting high pressure gas injection pipeline were analyzed. It’s suggested that GB 50350 specification should be recommended for wall thickness calculation of the high pressure gas injection pipeline and the corresponding standards should be recommended for checking.

Gas injection; Pipeline; Wall thickness

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）05-1152-03

2014-12-04

徐敬（1987-），女，工程師，碩士，2012年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東），研究方向：長(zhǎng)期從事壓力容器及壓力管道設(shè)計(jì)。