论文部分内容阅读
摘要：本文以埕海油气集输系统工程为例，从线路用管、管道壁厚设计、管道强度和稳定性校核几个方面介绍了油气管道线路工程设计思路。
关键词：线路工程设计壁厚强度稳定性
中图分类号：S611文献标识码： A
1、工程概况
大港埕海油田埕港输油输气管线起点为埕海1-1人工岛，输油管线终点为大港油田公司原油储运库，输气管线终点为大港输气首站。管道全线包括5座站场、1座截断阀室和2座收发球筒区，其中输油管线站场分别为：埕海1-1人工岛、庄一联合站、埕海联合站和大港油田公司原油储运库，全长约 48.4km；输气管线站场分别为：埕海1-1人工岛、埕海联合站和大港输气首站，全长约 51.7km。
2、线路用管
用于输送流体的钢管主要有无缝钢管、直缝埋弧焊钢管、直缝电阻焊钢管以及螺旋缝埋弧焊钢管等。以下为几种钢管的优缺点对比：
2.1螺旋缝埋弧焊钢管
螺旋缝埋弧焊钢管具有受力条件好，止裂能力强，刚度大，价格便宜等优点，但因其焊缝较长，出现缺陷的概率要高于直缝管；在制作过程中，焊缝呈一条空间螺旋线，焊缝质量不如直缝管容易控制；国内外螺旋缝钢管一般均不扩径，从而在管材内部存在残余应力，使得钢管在使用时，易产生应力腐蚀。我国目前能够生产219 1420、壁厚4mm17.5mm之间的系列螺旋缝埋弧焊钢管。
2.2直缝埋弧焊钢管
直缝埋弧焊钢管因其焊缝长度短，出现质量问题的概率小。直缝埋弧焊钢管中的UOE钢管成型过程和焊接过程分开进行，从而使焊缝质量可靠性强，焊后钢管通常要进行扩径，这就基本消除了管材内部的残余应力，提高了钢管的强度和韧性指标，此外钢管几何尺寸严格稳定，切割后易组装，弯制成弯管时，焊缝放在弯曲中性面上，焊缝受力小，便于加工弯头、弯管，而且防腐层质量容易保证，价格要明显高于螺旋缝钢管。
2.3无缝钢管
無缝钢管是通过冷拔（轧）或热扎制成的不带焊缝的钢管，冷拔（轧）管管径为5200，壁厚为0.2514mm。热轧管管径为32630，壁厚为2.575mm。管道工程中，管径超过57的管道常选用热轧无缝钢管,无缝钢管与螺旋缝钢管和直缝电阻焊钢管比较，具有椭圆度大、壁厚偏差大、生产成本高和单根管长度短等不利点。优点是内壁光滑、承压高，外防腐层质量易于保证。
2.4直缝电阻焊钢管
直缝电阻焊钢管是通过电阻焊接或电感应焊接形成的钢管，焊缝一般较窄，余高小，较螺旋缝钢管焊缝处防腐层减薄量小。在小口径管线上应用比较广泛，具有焊缝平滑，外形尺寸精度高、防腐层质量容易保证等优点。缺点是因焊接的特殊性，易产生未焊透等缺陷。
对于大直径的石油长输管道，常用直缝埋弧焊钢管和螺旋缝埋弧焊钢管。无缝钢管和直缝电阻焊钢管生产的直径比较小，一般用于公称直径小于500mm的管道。对于本工程输气管道设计压力为2.5MPa和4.0MPa，管径为Φ323.9mm、Φ406.4mm和Φ508mm，输油管线设计压力为4.0MPa，工艺管线管径为Φ273.1mm和Φ323.9mm，保护管管径为Φ406.4mm和Φ457mm，国产直缝电阻焊钢管和螺旋缝埋弧焊钢管在技术及制管质量上均能满足要求，且二者价格相差无几，鉴于本工程工期要求，推荐输油输气管线均采用直缝电阻焊钢管。
3、管线壁厚计算
3.1输油管线壁厚
（1）埕海1-1岛进海路末端至埕海联合站输油管线
管线管径为φ323.9，根据计算可知该段管线最大总压力损失为256m，因此设计压力定为4.0MPa，由于管线沿线多途经盐池、虾池、泄洪区以及河流等沿海地区，自然条件十分复杂，因此管线设计系数选取0.6 ，并根据《输油管道工程设计规范》(GB50253-2003)壁厚计算公式计算可得该管径的理论壁厚为3.72mm，考虑管线途经沿海地区土壤腐蚀性比较强，因此管线腐蚀余量按3mm考虑，管线计算壁厚为6.72，因此选择φ323.9x7.1满足设计要求。
（2）埕海联合站至大港油田公司原油储运库输油管线
管线管径为φ323.9，经计算可知管线最大总压力损失为323m，所以设计压力定为4.0MPa，由于管线沿线多途经盐池、虾池、泄洪区以及河流等沿海地区，自然条件十分复杂，因此管线设计系数选取0.6 ，并根据《输油管道工程设计规范》(GB50253-2003)壁厚计算公式计算可得该管径的理论壁厚为3.72mm，考虑管线途经沿海地区土壤腐蚀性比较强，同时由于埕海4-1平台原油酸值较高，因此管线腐蚀余量按3mm考虑，管线计算壁厚为6.72，因此选择φ323.9x7.1满足设计要求。
3.2输气管线壁厚计算
按《输气管道工程设计规范》（GB50251-2003），管道壁厚计算公式为：
δ=P·D/（2σSφFt）
式中：δ—钢管计算壁厚（cm）；P—设计压力（MPa）；D—钢管外径（cm）；σS—钢管的最小屈服强度（MPa）；F—强度设计系数，一级地区取0.72，二级地区取0.6，三级地区取0.5；φ—焊缝系数，取1.0；t—温度折减系数，取1.0。
根据管线工艺参数计算，设计壁厚选取7.1mm。
4、管道强度和稳定性校核
4.1管道的强度校核
受约束的埋地直管段由内压和温度引起的轴向应力按下式计算：
σL = Eα(t1－t2) +μσh
σh =Pd/2δn
按最大剪应力强度理论计算的当量应力σE应符合下式要求：
σE=σh－σL＜0.9σs
式中：σL - 管道轴向应力，拉应力为正，压应力为负，MPa；μ - 泊桑比，宜取0.3；σh - 由内压力产生的管道环向应力，MPa；P - 管道设计内压力，MPa；d - 管子内径，cm；δn - 管子公称壁厚，cm；E - 钢材的弹性模量，MPa；取2.06×105MPa；α- 钢材的线膨胀系数，℃-1；取1.2×10-5℃-1；t1 - 管道下沟回填时温度，取10℃；t2 - 管道的工作温度，℃；气管线取20℃ ，油管线取60℃；σs - 管材的最低屈服强度，MPa。
4.2管道的刚性
根据国内外的研究结果，一般认为只有当管子直径与厚度比D/δ>140时，才会在管子正常运输、铺设、埋管情况下出现圆截面失稳。经过计算，本工程用管的直径与厚度比远小于140，因此，钢管不会出现圆截面失稳问题。
4.3径向稳定性
根据《输气管道工程设计规范》(GB50251－2003)要求，对穿越公路的无套管管段、穿越用的套管及埋深较大的管段，均应按无内压状态验算在外力作用下管子的变形，验算公式：
Δx≤0.03D
Δx=ZKWDm3/(8EI+0.061EsDm3)
W=W1+W2
I=δn3/12
其中：Δx－钢管水平方向最大变形量，m；D－管子外径；Dm－管子平均直径； Z－管子变形滞后系数，取1.5； K～～基床系数，取0.108；E－钢材弹性模量，2.06×1011N/m2；I－单位管壁截面惯性矩，m4/m；δn－钢管公称壁厚，0.0071m Es－土壤变形模量，1.0×106N/m2； W－作用在单位管长上的总竖向载荷，N/m；W1－单位管长上竖向永久荷载，N/m；W2－地面可变荷载传递到管道上的荷载，N/m；H－管顶回填土高度,1.80m；γsoil－土壤容重,18kN/m3。
经计算，在管道设计埋深及外载荷情况下，所用钢管径向变形均不大于3％，满足径向稳定要求。根据《输气管道工程设计规范》（GB50251-2003）规定进行核算，管道满足轴向应力和当量应力校核，根据《输油（气）埋地钢质管道抗震设计规范》（SY/T0450-2004）进行核算，管线满足地震裂度7度时的抗震要求。
关键词：线路工程设计壁厚强度稳定性
中图分类号：S611文献标识码： A
1、工程概况
大港埕海油田埕港输油输气管线起点为埕海1-1人工岛，输油管线终点为大港油田公司原油储运库，输气管线终点为大港输气首站。管道全线包括5座站场、1座截断阀室和2座收发球筒区，其中输油管线站场分别为：埕海1-1人工岛、庄一联合站、埕海联合站和大港油田公司原油储运库，全长约 48.4km；输气管线站场分别为：埕海1-1人工岛、埕海联合站和大港输气首站，全长约 51.7km。
2、线路用管
用于输送流体的钢管主要有无缝钢管、直缝埋弧焊钢管、直缝电阻焊钢管以及螺旋缝埋弧焊钢管等。以下为几种钢管的优缺点对比：
2.1螺旋缝埋弧焊钢管
螺旋缝埋弧焊钢管具有受力条件好，止裂能力强，刚度大，价格便宜等优点，但因其焊缝较长，出现缺陷的概率要高于直缝管；在制作过程中，焊缝呈一条空间螺旋线，焊缝质量不如直缝管容易控制；国内外螺旋缝钢管一般均不扩径，从而在管材内部存在残余应力，使得钢管在使用时，易产生应力腐蚀。我国目前能够生产219 1420、壁厚4mm17.5mm之间的系列螺旋缝埋弧焊钢管。
2.2直缝埋弧焊钢管
直缝埋弧焊钢管因其焊缝长度短，出现质量问题的概率小。直缝埋弧焊钢管中的UOE钢管成型过程和焊接过程分开进行，从而使焊缝质量可靠性强，焊后钢管通常要进行扩径，这就基本消除了管材内部的残余应力，提高了钢管的强度和韧性指标，此外钢管几何尺寸严格稳定，切割后易组装，弯制成弯管时，焊缝放在弯曲中性面上，焊缝受力小，便于加工弯头、弯管，而且防腐层质量容易保证，价格要明显高于螺旋缝钢管。
2.3无缝钢管
無缝钢管是通过冷拔（轧）或热扎制成的不带焊缝的钢管，冷拔（轧）管管径为5200，壁厚为0.2514mm。热轧管管径为32630，壁厚为2.575mm。管道工程中，管径超过57的管道常选用热轧无缝钢管,无缝钢管与螺旋缝钢管和直缝电阻焊钢管比较，具有椭圆度大、壁厚偏差大、生产成本高和单根管长度短等不利点。优点是内壁光滑、承压高，外防腐层质量易于保证。
2.4直缝电阻焊钢管
直缝电阻焊钢管是通过电阻焊接或电感应焊接形成的钢管，焊缝一般较窄，余高小，较螺旋缝钢管焊缝处防腐层减薄量小。在小口径管线上应用比较广泛，具有焊缝平滑，外形尺寸精度高、防腐层质量容易保证等优点。缺点是因焊接的特殊性，易产生未焊透等缺陷。
对于大直径的石油长输管道，常用直缝埋弧焊钢管和螺旋缝埋弧焊钢管。无缝钢管和直缝电阻焊钢管生产的直径比较小，一般用于公称直径小于500mm的管道。对于本工程输气管道设计压力为2.5MPa和4.0MPa，管径为Φ323.9mm、Φ406.4mm和Φ508mm，输油管线设计压力为4.0MPa，工艺管线管径为Φ273.1mm和Φ323.9mm，保护管管径为Φ406.4mm和Φ457mm，国产直缝电阻焊钢管和螺旋缝埋弧焊钢管在技术及制管质量上均能满足要求，且二者价格相差无几，鉴于本工程工期要求，推荐输油输气管线均采用直缝电阻焊钢管。
3、管线壁厚计算
3.1输油管线壁厚
（1）埕海1-1岛进海路末端至埕海联合站输油管线
管线管径为φ323.9，根据计算可知该段管线最大总压力损失为256m，因此设计压力定为4.0MPa，由于管线沿线多途经盐池、虾池、泄洪区以及河流等沿海地区，自然条件十分复杂，因此管线设计系数选取0.6 ，并根据《输油管道工程设计规范》(GB50253-2003)壁厚计算公式计算可得该管径的理论壁厚为3.72mm，考虑管线途经沿海地区土壤腐蚀性比较强，因此管线腐蚀余量按3mm考虑，管线计算壁厚为6.72，因此选择φ323.9x7.1满足设计要求。
（2）埕海联合站至大港油田公司原油储运库输油管线
管线管径为φ323.9，经计算可知管线最大总压力损失为323m，所以设计压力定为4.0MPa，由于管线沿线多途经盐池、虾池、泄洪区以及河流等沿海地区，自然条件十分复杂，因此管线设计系数选取0.6 ，并根据《输油管道工程设计规范》(GB50253-2003)壁厚计算公式计算可得该管径的理论壁厚为3.72mm，考虑管线途经沿海地区土壤腐蚀性比较强，同时由于埕海4-1平台原油酸值较高，因此管线腐蚀余量按3mm考虑，管线计算壁厚为6.72，因此选择φ323.9x7.1满足设计要求。
3.2输气管线壁厚计算
按《输气管道工程设计规范》（GB50251-2003），管道壁厚计算公式为：
δ=P·D/（2σSφFt）
式中：δ—钢管计算壁厚（cm）；P—设计压力（MPa）；D—钢管外径（cm）；σS—钢管的最小屈服强度（MPa）；F—强度设计系数，一级地区取0.72，二级地区取0.6，三级地区取0.5；φ—焊缝系数，取1.0；t—温度折减系数，取1.0。
根据管线工艺参数计算，设计壁厚选取7.1mm。
4、管道强度和稳定性校核
4.1管道的强度校核
受约束的埋地直管段由内压和温度引起的轴向应力按下式计算：
σL = Eα(t1－t2) +μσh
σh =Pd/2δn
按最大剪应力强度理论计算的当量应力σE应符合下式要求：
σE=σh－σL＜0.9σs
式中：σL - 管道轴向应力，拉应力为正，压应力为负，MPa；μ - 泊桑比，宜取0.3；σh - 由内压力产生的管道环向应力，MPa；P - 管道设计内压力，MPa；d - 管子内径，cm；δn - 管子公称壁厚，cm；E - 钢材的弹性模量，MPa；取2.06×105MPa；α- 钢材的线膨胀系数，℃-1；取1.2×10-5℃-1；t1 - 管道下沟回填时温度，取10℃；t2 - 管道的工作温度，℃；气管线取20℃ ，油管线取60℃；σs - 管材的最低屈服强度，MPa。
4.2管道的刚性
根据国内外的研究结果，一般认为只有当管子直径与厚度比D/δ>140时，才会在管子正常运输、铺设、埋管情况下出现圆截面失稳。经过计算，本工程用管的直径与厚度比远小于140，因此，钢管不会出现圆截面失稳问题。
4.3径向稳定性
根据《输气管道工程设计规范》(GB50251－2003)要求，对穿越公路的无套管管段、穿越用的套管及埋深较大的管段，均应按无内压状态验算在外力作用下管子的变形，验算公式：
Δx≤0.03D
Δx=ZKWDm3/(8EI+0.061EsDm3)
W=W1+W2
I=δn3/12
其中：Δx－钢管水平方向最大变形量，m；D－管子外径；Dm－管子平均直径； Z－管子变形滞后系数，取1.5； K～～基床系数，取0.108；E－钢材弹性模量，2.06×1011N/m2；I－单位管壁截面惯性矩，m4/m；δn－钢管公称壁厚，0.0071m Es－土壤变形模量，1.0×106N/m2； W－作用在单位管长上的总竖向载荷，N/m；W1－单位管长上竖向永久荷载，N/m；W2－地面可变荷载传递到管道上的荷载，N/m；H－管顶回填土高度,1.80m；γsoil－土壤容重,18kN/m3。
经计算，在管道设计埋深及外载荷情况下，所用钢管径向变形均不大于3％，满足径向稳定要求。根据《输气管道工程设计规范》（GB50251-2003）规定进行核算，管道满足轴向应力和当量应力校核，根据《输油（气）埋地钢质管道抗震设计规范》（SY/T0450-2004）进行核算，管线满足地震裂度7度时的抗震要求。