高博翔，王　博，苑仁濤

(1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司　北京　100085；2.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院　北京　100028)

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·開發(fā)設(shè)計(jì)·

一種常用的油氣輸送管道壁厚設(shè)計(jì)方法

高博翔1，王博2，苑仁濤1

(1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司北京100085；2.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院北京100028)

摘要：在進(jìn)行油氣輸送管道設(shè)計(jì)時(shí)，管道的壁厚設(shè)計(jì)直接影響管道輸送安全和管道投資數(shù)額。介紹了基于ASME B31.3 Process Piping壁厚計(jì)算式的管道壁厚設(shè)計(jì)方法。兩個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例詳細(xì)地說明了壁厚的計(jì)算及選擇方案，對于油氣長輸管道及站場集輸管道的管道壁厚設(shè)計(jì)具有一定應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：油氣輸送；管道；壁厚設(shè)計(jì)

0引言

在進(jìn)行油氣輸送管道壁厚設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要根據(jù)輸送介質(zhì)、溫度、壓力等條件選擇相應(yīng)管材、確定管線號及管道腐蝕等級，進(jìn)而根據(jù)上述基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行壁厚計(jì)算及選擇[1]。本文主要介紹了油氣輸送管道及管材分類方法，進(jìn)而說明了以ASME B31.3 Process Piping 為基準(zhǔn)的壁厚計(jì)算及選擇方法。

1油氣輸送管道分類

油氣輸送管道的分類方法和依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)多種多樣。對于壁厚計(jì)算而言，需要確定管道的加工成型方式，進(jìn)而確定相關(guān)參數(shù)的取值。

根據(jù)API Spec 5L《Specification for Line Pipe》[2]，鋼管按加工方式可分為無縫鋼管和焊接鋼管。無縫鋼管是由熱成型工藝加工而成的沒有焊縫的鋼管。焊接鋼管按焊接方式可分為連續(xù)焊接鋼管、電阻焊鋼管、埋弧焊鋼管、激光焊鋼管以及熔化極氣體保護(hù)電弧焊鋼管；按焊接頻率可分為高頻和低頻焊接鋼管；按焊縫類型可分為直縫和螺旋縫焊接鋼管；按焊縫數(shù)量可分為單縫和雙縫焊接鋼管。

2油氣輸送管道管材分類

油氣輸送管道材料主要分三大類：碳鋼、鑄鐵和合金鋼。

根據(jù)碳在鐵中的存在形式，碳鋼組織可分為鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體、馬氏體[3]?？偟膩碚f，沿所述順序，這些碳鋼組織的強(qiáng)度逐漸增大，塑性和韌性逐漸降低。鑄鐵主要分三類：白口鑄鐵、灰口鑄鐵、麻口鑄鐵。最常用的是灰口鑄鐵。按照石墨組織形式的不同，灰口鑄鐵又分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和高硅鑄鐵四類[3]。沿所述順序這些鑄鐵的強(qiáng)度依次減小。合金鋼是相對碳鋼而言的，在碳鋼中加入不同種類、不同含量的合金元素可形成具有不同特性的合金鋼。

一般而言，油氣輸送管道材料是上述材料中的一種。大部分石油工業(yè)領(lǐng)域常用的管道的管材標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法均可由ASTM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或API 5L查得。

3壁厚計(jì)算

根據(jù)ASME B31.3 Process Piping 中的壁厚計(jì)算式[4]：

tm=t+c=t+cA+cM

c=cA+cM

式中，

t為設(shè)計(jì)壓力下的壁厚計(jì)算值，mm；

c為機(jī)械裕量(cM)及侵蝕與腐蝕裕量(cA)之和，mm；

cA為侵蝕與腐蝕裕量，mm。腐蝕裕量通常的計(jì)算公式是cA=v×F，式中v為腐蝕速率，F(xiàn)為設(shè)計(jì)年限。v的算法在許多文獻(xiàn)中均有描述[5]，一般需根據(jù)介質(zhì)組分及運(yùn)行條件來計(jì)算。通過腐蝕裕量的計(jì)算值進(jìn)而確定不同管線的腐蝕等級。

cM為機(jī)械裕量(或出廠負(fù)偏差)，mm。對于螺紋部分(小于24 in(1 in=25.4 mm)的管道)的機(jī)械裕量，用螺紋高度h表示(h的值可根據(jù)每英寸螺紋數(shù)查ASME B1.20.1[6]表1得出或根據(jù)式h=0.866025/n算得)；對于無縫管或焊接管，機(jī)械裕量(即出廠負(fù)偏差)的計(jì)算方法由API 5L 表11可得。

tm為最小所需壁厚，mm。

p為設(shè)計(jì)內(nèi)壓(表壓)，psi。1 psi=0.006 9 MPa。

D為管道外徑，mm。根據(jù)不同管線的管線尺寸，查ASME B36.10M 表1可得管道外徑。

S為材料的許用應(yīng)力，psig。根據(jù)管道材料及所選管材所依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合設(shè)計(jì)溫度，查ASME B31.3表A1可得。

E為質(zhì)量系數(shù)，無量綱。根據(jù)管道類型及所依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，查ASME B31.3表A1-A或A-1B可得。

W為焊縫折減系數(shù)，無量綱。根據(jù)管材及設(shè)計(jì)溫度查ASME B31.3表302.3.5可得。當(dāng)設(shè)計(jì)溫度高于ASME B31.3表A1中相應(yīng)管材許用應(yīng)力所對應(yīng)的溫度上限時(shí)，需考慮焊縫折減系數(shù)；當(dāng)設(shè)計(jì)溫度低于表302.3.5所列最低溫度時(shí)，W=1。

4壁厚選擇、壁厚類別及Sch號

由計(jì)算所得最小所需壁厚向上圓整，根據(jù)ASME B36.10M[7]表1選擇相應(yīng)壁厚、壁厚類別及Sch號。壁厚類別由STD、XS、XXS三種，一般對應(yīng)著相應(yīng)的壁厚選擇值和Sch號。對于計(jì)算壁厚超過標(biāo)準(zhǔn)中所列壁厚值的情況，應(yīng)同廠家進(jìn)行定制生產(chǎn)。

對于公稱直徑小于24 in的小口徑管道，Sch號劃分較細(xì)，分為10、20、30、40、60、80、100、120、140、160等。對于公稱直徑為24～36 in的中口徑管道，Sch號只有10、20、30、40四種。對于公稱直徑大于36 in的大口徑管道，不設(shè)Sch號，只需選擇壁厚值和壁厚類別。

另外，對于不銹鋼管，Sch號及壁厚的選擇通常根據(jù)ASME B36.19M[8]表2A選取，壁厚號加尾綴S。通常情況下，由下列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的管材需要根據(jù)ASME B36.19M選擇壁厚及Sch號：ASTM A312、ASTMA358、ASTM A376、ASTM A409。

5壁厚計(jì)算及選擇實(shí)例

實(shí)例1：某油氣長輸管道的設(shè)計(jì)內(nèi)壓為12 MPa，公稱直徑為1 219 mm，使用管材為API 5L規(guī)定的B級螺旋焊縫鋼管，設(shè)計(jì)輸送溫度為-20～100℃，根據(jù)管道腐蝕等級確定的腐蝕裕量為3 mm。

根據(jù)上述的壁厚計(jì)算方法可得出壁厚計(jì)算值為58.32 mm，超出了ASME B36.10M所規(guī)定的壁厚選擇值。

實(shí)例2：某站內(nèi)油氣輸送管道的設(shè)計(jì)內(nèi)壓為1.6 MPa，公稱直徑為508 mm，使用管材為ASTM A106[9]規(guī)定的B級無縫鋼管(有螺紋端)，設(shè)計(jì)輸送溫度為-20～100℃，根據(jù)管道腐蝕等級確定的腐蝕裕量為1.5 mm。

根據(jù)上述的壁厚計(jì)算方法可得出壁厚計(jì)算值為4.93 mm，螺紋端壁厚計(jì)算值為5.04 mm，根據(jù)ASME B36.10M選擇壁厚值為6.35 mm，壁厚等級為Sch10。

6結(jié)論與建議

本文詳細(xì)敘述了基于ASME B31.3 Process Piping壁厚計(jì)算式的管道壁厚設(shè)計(jì)方法。通過壁厚計(jì)算值來選擇管道壁厚值和Sch號。通過兩個(gè)計(jì)算實(shí)例可看出，管道壁厚的計(jì)算值向上圓整后可對應(yīng)相應(yīng)規(guī)范中的Sch號，從而方便標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。對于一些特殊管道，壁厚計(jì)算值有可能超出規(guī)范中的壁厚值；這時(shí)，就需要管道生產(chǎn)廠家進(jìn)行定制生產(chǎn)。

ASME B31.3是在基本壁厚計(jì)算式的基礎(chǔ)上引入了相關(guān)的修正系數(shù)對不同管材的特性進(jìn)行了修正。該壁厚設(shè)計(jì)步驟相比于國標(biāo)體系的壁厚計(jì)算式的主要區(qū)別在于修正系數(shù)的定義和取值有所區(qū)別。GB50251《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]和CSA Standard Z662-03《 Oil and Gas Pipeline Systems》[11]中均對地區(qū)等級進(jìn)行了定義，從而引出了相關(guān)的設(shè)計(jì)系數(shù)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的條件及相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王紅菊,祝愨智,張延萍.全球油氣管道建設(shè)概況[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2015,34(1): 15-18.

[2] 唐治國,王文江,李龍，等.油氣長輸管道壁厚計(jì)算及選用[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2011,19(6): 52-53.

[3] American Petroleum Institute.Specification for Line Pipe: API SPEC5L- 44 EDITION [S].

[4] 譚蔚.化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[G].天津：天津大學(xué)出版社，2014.

[5] American Society of Mechanical Engineers.Process Piping: ASME B31.3-2010 [S].

[6] 劉小寧.鋼制壓力容器與管道腐蝕裕量的可靠性設(shè)計(jì)[J].化肥設(shè)計(jì),2004,42(5): 25-27.

[7] American Society of Mechanical Engineers.Pipe Thread,General Purpose (INCH): ASME B1.20.1-1983 [S].

[8] American Society of Mechanical Engineers.Welded and Seamless Wrought Steel Pipe: ASME B36.10M-2000 [S].

[9] American Society of Mechanical Engineers.Stainless Steel Pipe: ASME B36.19M-1985 [S].

[10] American Society for Testing Material.Standard Specification for Seamless Carbon Steel Pipe for High-Temperature Service: ASTM A106-1999 [S].

[11]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范: GB50251-2015 [S].北京: 中國計(jì)劃出版社,2015.

[12] Canadian Standards Association.Oil and Gas Pipeline Systems: CSA Standard Z662-03 [S].

A Common Wall Thickness Design Method for Oil and Gas Transmitting Pipeline

GAO Boxiang1，WANG Bo2，YUAN Rentao1

(1.China Petroleum Engineering Company Limited，Beijing Company,Beijing,100085,China 2.CNPC Offshore Engineering Company Limited,Engineering Design Institute,Beijing,100028,China)

Abstract：During the design of oil and gas transportation pipeline,the wall thickness affects both the safety and the investment of pipeline.The wall thickness design method is introduced based on the formula of ASME B31.3 Process Piping.The wall thickness calculation and selection scheme are described in detail through two practical design examples,which can be applied to the wall thickness design of oil and gas transmitting trunk line and station gathering pipeline.

Key words：oil and gas transmitting;pipeline;wall thickness design

第一作者簡介：高博翔，男，1990年生，助理工程師，2015年碩士畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事管道設(shè)計(jì)方面的研究工作。E-mail:gaoboxiang@cpebj.com

中圖法分類號：TE832

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)03-0021-03

(收稿日期：2016-03-07編輯：葛明君)