壓縮天然氣工程管道壁厚計算探討

李金成

河北渤海工程設計有限公司，河北 石家莊 050021

0 前言

壓縮天然氣供應站、CNG加氣站同屬石油天然氣行業(yè)終端，對于此類站場雖然國家都有相關的標準規(guī)范但都缺乏對工藝管道壁厚計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：一種是按石油天然氣行業(yè)及城鎮(zhèn)燃氣強度計算公式計算；另一種是按工業(yè)管道強度計算公式計算。其實，上述兩種計算公式本質(zhì)都一樣，不論是石油天然氣行業(yè)還是工業(yè)管道的強度計算公式都同屬于第三強度理論，只在表達上有所區(qū)別。石油天然氣行業(yè)采用鋼管最低屈服強度為設計參數(shù)，引入設計系數(shù)進行計算，由最低屈服強度和設計系數(shù)的乘積得出設計溫度下的許用應力[1]。而工業(yè)金屬管道的壁厚計算參數(shù)則直接引用設計溫度下的許用應力。

筆者認為，兩個公式無本質(zhì)差別，只是安全系數(shù)選取不同而已，而對于壓縮天然氣供應站來說，其本身就屬于石油天然氣行業(yè)，所以對于此類站場管道壁厚計算按石油天然氣行業(yè)的計算公式采用鋼管最低屈服強度為設計參數(shù)，并結合設計系數(shù)進行計算更為安全。

1 行業(yè)特性

石油天然氣行業(yè)從油氣田的開采到加工處理、管道輸送至長輸站場再到其下游門站、加氣站都有自身的行業(yè)特性。GB 50350-2005 《油氣集輸設計規(guī)范》適用于油田、氣田集輸工程設計，涉及氣田采出氣的加壓，氣田內(nèi)管道壓力高達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計算，式中采用鋼管最低屈服強度σs和設計系數(shù)F為計算參數(shù)[2]，應用了第三強度理論。

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

GB 50028-2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》也提到壓力大于1.6 MPa小于4 MPa的鋼管采用第三強度理論δ=（PD）/（2σsFφt）公式計算管道壁厚[4]。

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

2 外部環(huán)境

對于石油天然氣行業(yè)管道強度計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、供應站不同。壓縮天然氣加氣站、供應站多處于城市建成區(qū)，人口及商業(yè)、公共建筑往往較多，需考慮加大設計安全系數(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)管道的強度計算理論與石油天然氣行業(yè)的強度計算理論雖都同為第三強度理論但其考慮的因素與石油天然氣行業(yè)不同，工業(yè)管道的強度計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力值減小。而石油天然氣行業(yè)主要考慮事故狀態(tài)對外部環(huán)境（周邊的人群、建筑物）的影響。

所以對處于天然氣行業(yè)終端的壓縮天然氣加氣站、供應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度σs和設計系數(shù)F為計算參數(shù)計算管道壁厚。在人口稠密，商業(yè)建筑較多地區(qū)增大安全設計系數(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)一許用應力值做為參數(shù)進行管道壁厚計算[6]。

GB 50251-2003《輸氣管道工程設計規(guī)范》第4.2.1、4.2.2條解釋說明中提到：天然氣管道許用應力的取值根據(jù)所處地區(qū)等級不同在（0.4～0.7）σs之間選取，當所處地區(qū)人口稠密、建筑較多時應選用較小的強度設計系數(shù)降低許用應力值，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計規(guī)范》第3.2.4條也提到許用應力值按強度設計系數(shù)F乘以屈服強度σs進行計算，這是我國石油天然氣行業(yè)管道強度計算理論的基本原則。而工業(yè)管道許用應力值是溫度函數(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無縫鋼管管道外徑60 mm，屈服強度σs=205 MPa, 工作壓力25 MPa，設計壓力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》公式計算壓縮天然氣管道壁厚，按不同地區(qū)等級取設計系數(shù)F值(根據(jù)《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》表6.4.9選取)，計算結果見表1。

表1 石油天然氣行業(yè)與工業(yè)管道壁厚計算

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

3 工業(yè)管道對高壓管道設計要求

對PN16～32 MPa高壓管道、管件，我國最早有化工部行業(yè)標準H1～31-67《高壓管件及緊固件通用設計》，該標準沿用至今。在HG/T 20553-2011《化工配管用無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計》依然有效，雖然H1～31-67標準允許直接在管道上開等徑三通，對管道壁厚做了補強設計，增加了管道壁厚，同時也考慮了加工螺紋時產(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》相關標準，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標準計算，三通開孔補強厚度保守估算為2 mm（主管和支管各自都增加2 mm補強厚度），則H1～31-67《高壓管件及緊固件通用設計》壁厚對于對焊管件來說至少有2 mm的余量（螺紋加工深度與開孔補強增加厚度不進行疊加計算）。

2010年我國發(fā)布JB/T 2768-2010《閥門零部件 高壓管子 管件和閥門端部尺寸》，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計》標準所列管道規(guī)格完全一致，如果按該標準中提到的螺紋加工要求符合GB/T 12716-2011標準，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《閥門零部件 高壓管子 管件和閥門端部尺寸》中的管道壁厚見表2。

目前我國常用法蘭標準HG/T 20592～20635-2009中美洲體系PN260對應的整體法蘭接管規(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計》、JB/T 2768-2010《閥門零部件 高壓管子 管件和閥門端部尺寸》壁厚一致（見表2）。

按石油天然氣行業(yè)采用第三強度理論δ=（PD）/（2σsFφt）計算壓縮天然氣供應站、加氣站內(nèi)工藝管道壁厚，設計壓力取27.5 MPa，按地區(qū)等級取設計系數(shù)F值(根據(jù)GB 50028-2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》表6.4.9選取，取F=0.4)。各個標準及計算結果比較見表2[7-9]。

表2 各標準高壓管道壁厚比較表

由表2可見，在不考慮螺紋加工深度的情況下我國現(xiàn)行的JB/T 2768-2010《閥門零部件 高壓管子 管件和閥門端部尺寸》、H1～31-67《高壓管件及緊固件通用設計》、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）公式計算結果基本一致。

綜上，我國工業(yè)管道在PN16 MPa、PN32 MPa高壓管道設計時，計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》所給的公式計算值要厚，在設計時對于此類高壓系統(tǒng)管道通常都是直接選用標準而不再按GB/T 20801.3-2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第3部分》進行管道壁厚計算。

所以對于與長輸管道、城市燃氣密切相關的壓縮天然氣供應站、加氣站站場內(nèi)管道壁厚計算,采用第三強度理論δ=（PD）/（2σsFφt）能與目前我國相關標準更好地配套使用。

4 與上游輸氣管道銜接

作為壓縮天然氣供應站、加氣站不論是母站還是標準站其氣源都來自長輸管道或門站，如果是長輸管道來氣按GB 50251-2003《輸氣管道工程設計規(guī)范》輸氣站場內(nèi)管道壁厚計算采用δ=（PD）/（2σsFφt），如果是門站按GB 50028-2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》也提到壓力大于1.6 MPa小于4MPa的鋼管計算采用第三強度理論δ=（PD）/（2σsFφt），對同一站場內(nèi)管道壁厚計算應選用統(tǒng)一的計算公式，也不宜前段進站管道采用一個計算公式，壓縮機加壓后再采用另一個計算公式。同時作為輸氣站場或者城市門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》標準，在該標準中只給出了屈服強度值而查不到相應溫度下的許用應力值，在其他現(xiàn)有標準中也很難查找，這樣在利用工業(yè)管道計算公式進行計算時就造成許用應力取值的問題，究竟如何取值難以確定也無統(tǒng)一標準，所以對于與長輸管道、城市燃氣密切相關的壓縮天然氣供應站、加氣站站場內(nèi)管道壁厚計算采用第三強度理論δ=（PD）/（2σsFφt）更為合適。

5 國家技術監(jiān)督局要求

目前國家質(zhì)量技術監(jiān)督總局雖然要求天然氣站場、城鎮(zhèn)燃氣站場、加氣站站內(nèi)管道按工業(yè)管道監(jiān)管，但國家質(zhì)量技術監(jiān)督總局也強調(diào)只是按工業(yè)管道監(jiān)管，其相關設計應按相關國家或行業(yè)標準進行，工業(yè)管道監(jiān)察規(guī)程只是最低要求。通過上述計算舉例可以看出，按現(xiàn)行石油天然氣行業(yè)公式進行計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 結論

通過計算可看出，根據(jù)壓縮天然氣供氣站所建地理位置適當加大安全設計系數(shù)，對于在城市建成區(qū)內(nèi)建設該類項目管道壁厚計算選用公式δ=（PD）/（2σsFφt）更為合適。另外，從管道選材、管件選取也更能和我國國內(nèi)相關標準配套使用。

[1]沙曉東，陳曉輝，黃 坤，等.輸氣管道應力影響因素分析[J]. 天然氣與石油，2013, 31(1): 1-4.Sha Xiaodong，Chen Xiaohui，Huang Kun, et al. Analysis on Factors Affecting Stress in Gas Pipeline[J]. Natural Gas and Oil, 2013, 31(1): 1-4.

[2]GB 50350-2005，油氣集輸設計規(guī)范[S].GB 50350-2005, Code for Design of Oil-Gas Gathering and Transportation Systems[S].

[3]GB 50251-2003，輸氣管道工程設計規(guī)范[S].GB 50251-2003, Code for Design of Gas Transmission Pipeline Engineering[S].

[4]GB 50028-2006，城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范[S].GB 50028-2006, Code for Design of City Gas Engineering[ S].

[5]秦 光.人口稠密地區(qū)的輸氣管道設計[J].天然氣與石油，2010, 28(6): 1-3.Qin Guang. Design of Gas Pipelines in Densely Populated Areas[J]. Natural Gas and Oil, 2010, 28(6): 1-3.

[6]GB/T 20801.3-2006，壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第3部分:設計和計算[S].GB/T 20801.3-2006，Pressure Piping Code—Industrial Piping—Part 3: Design and Calculation[S].

[7]JB/T 2768-2010，閥門零部件 高壓管子、管件和閥門端部尺寸[S].JB/T 2768-2010，Components of Valves-High Pressure Pipes, Fittings and End-to-End Dimensions of Valves[S].

[8]HG/T 20592～20635-2009，鋼制管法蘭、墊片、緊固件[ S].HG/T 20592～20635-2009, Steel Pipe Flanges, Gaskets and Bolting[S].

[9]H1～31-67 高壓管、管件及緊固件通用設計[S].H1～31-67, Design of High Pressure Pipes, Fittings and Bolting[S].