馬強

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

隨著天然氣行業(yè)的快速發(fā)展，天然氣輸氣管網(wǎng)的建設與維護越來越受到人們重視。天然氣管道采用分管分段施工，在間歇施工時由于密封不嚴外部雜質(zhì)可能會掉進管道，影響管道的運行。此外，在輸送天然氣時由于天然氣中攜帶的雜質(zhì)沉淀和天然氣中硫化氫（H2S）對管壁腐蝕的腐蝕產(chǎn)物會阻塞管道，影響管道正常運行，降低天然氣的輸氣效率。為避免此類現(xiàn)象的產(chǎn)生，需要對現(xiàn)役管道進行定期清理[1-5]。收球筒作為清理管線的主要設備之一，存在因清管器速度失控沖擊的安全隱患[11-12]。為了避免清管器速度失控給收球筒帶來的沖擊破壞，提高收球筒的安全性和可靠性，收球筒的設計與選材顯得尤為重要[13-14]。

呂朝旭[15]通過對收球筒的研究現(xiàn)狀及應用進行總結(jié)，認為傳統(tǒng)清管器雖已進行較為深入的研究，然而由于技術的復雜性，智能清管器的研究還處于初期，智能清管器的研究與應用是未來發(fā)展的一個重要研究方向。張科[11]從工藝角度出發(fā)認為清管器進入到收球筒后，由于收球筒的管徑變大，會導致清管器與管壁之間碰撞從而破壞清管器的彈性密封。因此他對長輸管道的收球筒工藝進行優(yōu)化，可有效地提高收球筒的安全性。倪姍姍等[16]通過對西氣東輸二線的收球筒的位移原因進行分析，結(jié)果表明其位移主要原因是設計時選取的土壤壓實系數(shù)，環(huán)境等因素與實際施工時的差異較大。

麻建軍等[17]通過研究發(fā)現(xiàn)，將收球筒上體與管道連接可有效避免在清管過程中產(chǎn)生的沙礫等雜質(zhì)在清管器兩側(cè)堆積。此方法還可以有效降低泥沙對球閥的損傷，從而降低閥門內(nèi)漏的。謝焜等[18]也對收球筒的工藝進行優(yōu)化并給出施工和運行過程中注意事項，最后給出了收球筒運行和維護過程中重要的措施。陳文華等[19]通過“二次收球”工藝與“一次收球工藝”進行對比，認為“二次收球”工藝可有效改善收球筒附屬結(jié)構(gòu)的損傷，提高其安全性。王世斌等[20]概述了收球筒的結(jié)構(gòu)和功能并對比了不同設計標準對收球筒的成本及管理成本，指出管道設計規(guī)范比另外兩種規(guī)范更節(jié)約管理和制造成本。郭昱等[21]詳細對比了GB 50251 與ASME B31.8 中設計規(guī)范不同之處，表明ASME 設計標準比GB 50251 設計更為嚴格，新版GB 50251 比前兩版中嚴密性和強度試驗的保守性均有所降低。此外，還有部分學者探究了法蘭對大開孔補強影響[23]及T 型異徑三通的強度進行分析[24]。

綜上，通過文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)研究學者只針對清管器或收球筒的工藝進行優(yōu)化及問題分析，尚未對不同標準下收球筒設計壁厚差異進行分析。因此，本文基于GB/T 150[25]以及GB 50251[26]兩種設計標準對收球筒設計壁厚差異進行對比分析，其結(jié)果為收球筒設計標準的選擇和壁厚差異分析提供理論支撐。

1 設計方法及原則

1.1 設計概況

本文以某實際項目為依托，探究了收球筒設計壁厚的影響。收球筒基本概況如表 1 所示。

表1 收球筒概況Table 1 Overview of receiving ball tube

收球筒主要由主管、錐段、直管、快開盲板及其附件組成。其中收球筒開口主要包括壓力表嘴、放空口、注水注氮口、出氣口、壓力平衡口、排污口等開口，具體開口分布如圖 1 所示。

圖1 收球筒示意圖Fig.1 Schematic diagram of receiving ball tube

收球筒各個接口由于作用不同，因此管線內(nèi)徑也不盡相同，對應的管線的數(shù)量、連接形式及規(guī)格等參數(shù)具體如表 2 所示。

表2 收球筒接口表Table 2 Receiving ball tube interface table

1.2 GB 50251—2015 [24]設計方法

式中 δ——鋼管計算壁厚，mm；

P——設計壓力，MPa；

D——鋼管外徑，mm；

σs——鋼管標準規(guī)定的最小屈服強度，MPa；

φ——焊縫系數(shù)；

F—— 強度設計系數(shù)，根據(jù)《輸氣管道工程設

計規(guī)范》GB 50251—2015[24]選取，

t—— 溫度折減系數(shù)，當溫度小于120℃時，t值應取1.0。

1.3 GB/T 150—2011 [23]設計方法

式中 Di——圓筒的內(nèi)直徑，mm；

pc——計算壓力，MPa；

δ——圓筒或球殼的計算厚度，mm；

[σ]t—— 設計溫度下圓筒或球殼材料的許用應力（按GB/T 150.2），MPa；

φ——焊接接頭系數(shù)。圓筒計算應力如下：

式中 σt—— 設計溫度下圓筒或球殼的計算應力，MPa；

[σ]t—— 設計溫度下圓筒或球殼材料的許用應力（按GB/T 150.2），MPa；

φ——焊接接頭系數(shù)；

δe——圓筒有效厚度，mm。

1.4 補強結(jié)構(gòu)計算

根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》中規(guī)定，對于三通或者支管在主管上開孔時或與支管相連接時，其開孔削弱部分可按照等面積補強原理進行補強。在設計過程中，兩種標準開孔補強采取同一設計規(guī)范（GB 50251—2015），其補強公式如下：

式中 A1—— 在有效補強區(qū)內(nèi)，主管承受內(nèi)壓所需設計壁厚外的多余厚度形成的面積，mm2；

A2—— 在有效補強區(qū)內(nèi)，支管承受內(nèi)壓所需最小壁厚外的多余厚度形成的截面積，mm2；

A3—— 在有效補強區(qū)內(nèi)，另加的補強元件的面積，包括這個區(qū)內(nèi)的焊縫截面積，mm2；

AR—— 主管開孔削弱所需要補強的面積，mm2；

di——支管內(nèi)徑，mm；

δn——與主管連接的支管管壁厚度，mm；

δn'——主管的實際厚度，mm；

δb——與支管連接的支管管壁厚度，mm；

δn'——支管實際厚度，mm。

對于實際設計過程中，采用等面積補強法進行設計，即當實際補強面積大于或等于計算補強面積時設計合格。本文收球筒壁厚設計時腐蝕余量為2 mm，主管材料采用Q345R，支管材料采用16Mn。

2 設計結(jié)果及對比分析

收球筒設計不僅包括主筒體厚度設計，同時還要考慮筒體上支管的設計。為了更為直觀地對比GB 50251 及GB/T 150 兩種標準對主筒體及不同支管設計厚度的影響，選取出氣口、注水注氮口、放空口、排污口以及壓力表管嘴5 種不同規(guī)格的支管形式進行對比。兩種不同標準在不同主管壁厚選取條件下的壁厚如表 3 所示。

從表 3 中可以看出，采用兩種標準進行設計時GB/T 150 滿足要求的主管最小厚度小于在相同設計條件下GB 50251 設計厚度；當采用同一標準（GB/T 150）時，主管設計壁厚取值越大支管設計壁厚越薄。這是由于采用等面積補強時，當主管設計壁厚越大時主管所提供的補強面積越大，所以支管所需要提供的面積減小，因此支管設計厚度較小。當采用兩種標準（GB/T 150 和GB 50251）對相同主管壁厚進行設計時，GB/T 150 設計支管壁厚小于GB 50251 標準下設計支管壁厚。由此可見，無論是對主管壁厚還是支管壁厚進行設計，GB 50251 設計壁厚均大于GB/T 150 設計壁厚，設計較為保守。

表3 不同標準下主管及支管設計壁厚Table 3 Design wall thickness of main pipe and branch pipe under different standards

為排除個例影響，探究了同一標準下不同主管壁厚對支管設計壁厚的影響，結(jié)果如圖 2 及圖 3 所示。

由圖 2 和圖 3 可知，無論是基于GB/T 150 還是GB 50251 標準，隨著主管壁厚的增加支管厚度逐漸減小，即主管設計壁厚與支管設計壁厚成反比例關系。因此，在進行主管和支管壁厚設計時，應綜合考慮主管和支管壁厚以確保兩者均處于安全范圍內(nèi)。根據(jù)設計經(jīng)驗，支管比主管設計壁厚值不應大于2，通常在1.4～1.6 mm 之間為宜，若兩者之間壁厚差異過大則對加工制造以及組裝焊接不利。此外，為消除安裝、焊接過程中產(chǎn)生的不安全因素，通常在確定支管壁厚時適當增加支管壁厚以增加20%的補強面積，確保設計質(zhì)量。

圖2 基于GB/T 150 支管設計壁厚隨主管設計壁厚變化結(jié)果Fig.2 Based on GB/T 150 branch pipe design wall thickness change with main pipe design wall thickness

圖3 基于GB 50251 支管設計壁厚隨主管設計壁厚變化情況Fig.3 Based on GB 50251 branch pipe design wall thickness changes with main pipe design wall thickness

由圖 2 可知，基于GB/T 150 標準主管設計壁厚的增加，對內(nèi)徑較大的支管的設計壁厚影響更為明顯，并且隨著支管內(nèi)徑的增加，主管設計壁厚對支管壁厚的影響程度逐漸減小。由圖 3 可知GB 50251標準設計的支管壁厚與GB/T 150 設計的支管壁厚呈現(xiàn)相同趨勢，即主管設計壁厚對內(nèi)徑較大的支管設計壁厚的影響較小而對內(nèi)徑較小的支管設計壁厚影響較大，有所不同的是隨著主管壁厚的增加基于GB 50251 支管設計壁厚比GB/T 150 支管設計壁厚變化程度較小。通過對比可知，GB 50251 比GB/T 150 對支管設計壁厚的安全余量較大，相應安全系數(shù)較高。

為了更為直觀地對比在相同主管設計壁厚時，不同設計標準對支管厚度的影響。探究了下三種主管設計壁厚（30 mm、35 mm、40 mm）時（設計系數(shù)為0.4），兩種標準對支管設計壁厚的影響。結(jié)果如圖4 所示。

由圖 4 可知，當主管設計壁厚一定時，基于GB/T 150 設計標準設計的支管壁厚均小于基于GB 50251設計標準設計的支管壁厚。

由圖 5 可知，在設計系數(shù)為0.4 時，隨著主管設計壁厚的增加，基于GB 50251 設計的支管壁厚比GB/T 150 設計的支管厚度增加百分比幾乎呈直線增加，由此再次驗證基于GB 50251 設計壁厚更為保守，設計安全余量更大。

圖4 兩種標準下相同主管設計壁厚對支管設計壁厚影響Fig.4 The influence of the same main pipe design wall thickness on the branch pipe design wall thickness under the two standards

圖5 相同主管設計壁厚時GB 50251 比GB/T 150 設計支管厚度增加程度Fig.5 The increase in thickness of GB 50251 compared to GB/ T 150 design branch pipe with the same main pipe design wall thickness

由于收球筒通常設置在四級地區(qū)內(nèi)，即處于四層及四層以上樓房普遍集中、交通頻繁、地下設施多的區(qū)段，因此以上分析均基于四級地區(qū)選取的設計系數(shù)（F=0.4）。如果收球筒設置在三級地區(qū)（戶數(shù)在100 或以上區(qū)段，包括市郊居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)規(guī)劃發(fā)展區(qū)以及不夠四級地區(qū)條件的人口稠密區(qū)）、二級地區(qū)（戶數(shù)在15 ～ 100 的區(qū)段）那么，設計系數(shù)F 將增加到0.5 ～ 0.6，為了探究地區(qū)選擇或設計系數(shù)對收球筒支管設計壁厚的影響，對設計系數(shù)分別為0.4、0.5、0.6（GB 50251）情況進行對比，并對比了不同設計系數(shù)下GB 50251 設計壁厚和GB/T 150 設計壁厚差異，結(jié)果如圖 6 所示。

圖6 設計系數(shù)對支管設計壁厚影響結(jié)果Fig.6 The influence of design coefficient on the design wall thickness of branch pipe

由于GB/T 150 標準中不存在設計系數(shù)，所以只針對GB 50251 標準中計設計系數(shù)進行改變。通過圖 6a 可以看出，當設計系數(shù)從0.4 提高到0.6，此時GB 50251 算出的出氣口壁厚逐漸低于GB/T 150 計算出的出氣口壁厚。而對于內(nèi)徑相對較小的排污口（圖6b）隨著設計系數(shù)增加，設計壁厚逐漸接近GB/T 150 設計壁厚，當設計系數(shù)增加到0.6 時，GB 50251設計壁厚比GB/T 150 設計壁厚薄，證明設計系數(shù)也是影響設計壁厚的重要原因。通過對比圖 6a 和圖 6b可知，設計系數(shù)對內(nèi)徑較大的支管壁厚影響較大，而對內(nèi)徑較小的支管壁厚影響較小。

基于以上分析，建議在選取設計壁厚時明確設計系數(shù)，綜合考慮主管及支管設計壁厚。GB/T 150未對不同地區(qū)、不同的設計系數(shù)進行考慮，缺乏外部因素考慮。因此GB 50251 對于收球筒設計更為合理，建議采用GB 50251 對收球筒進行設計。

3 設計標準對制造檢驗的影響

根據(jù)GB/T 150 以及GB 50251 進行收球筒設計均應符合《壓力容器》標準或ASME VIII 進行制造檢驗，并且要求具有壓力容器資質(zhì)的單位進行制造。對于水壓試驗，在GB 50253《輸油管道設計規(guī)范》的舊版本中規(guī)定，收球筒應同管線一起進行試壓。但之后在2014 版中將這一規(guī)定刪除，但目前部分項目仍根據(jù)這一要求進行檢驗。GB 50251 中規(guī)定清管設施的水壓試驗也應與管道一同進行，試壓壓力為設計壓力的1.5 倍。

在GB/T 150 中規(guī)定收球筒強度試驗壓力應為設計壓力的1.5 倍，若同樣和管道一起試壓會導致在試壓過程中所產(chǎn)生的環(huán)向應力大于0.9 倍的屈服強度。就此而言，建議盡可能選用壓力管道工程設計規(guī)范進行收球筒的設計，這樣收球筒能與長輸管道保持更好的一致性。此外，若采用GB/T 150 進行設計，應使用對應的安全技術法規(guī)和專業(yè)的工程技術人員進行日常的操作、維護和檢查。此要求遠高于管道工程設計規(guī)范，因此增加了使用單位的日常維護成本。綜上，建議盡量采用GB 50251 進行收球筒的設計，既能保證管線的安全性又能節(jié)約人員和管理成本。

4 結(jié)論

研究不同設計標準對收球筒設計壁厚的差異，結(jié)果表明：

（1）就一般地區(qū)而言（四級地區(qū)）相同設計條件下，GB 50251 比GB/T 150 設計壁厚較大，安全裕量更大；主管設計壁厚與支管的設計壁厚呈反比關系，并且隨著主管設計壁厚的增加GB/T 150 設計對支管厚度比GB 50251 設計支管壁厚的影響更大；

（2）設計系數(shù)是影響兩個標準對設計壁厚的關鍵參數(shù)，并且設計系數(shù)對內(nèi)徑較大的支管壁厚影響更為明顯；由于GB/T 150 對收球筒設計時缺少對外部環(huán)境因素的考慮，而GB 50251 既能滿足收球筒安全設計的要求，同時又能節(jié)約運行及管理成本。因此，建議采用GB 50251 對收球筒進行設計。