地溫對天燃氣中壓管道管材選擇的影響

趙立春，　詹淑慧，　見　爽

(北京建筑大學 環(huán)境與能源工程學院， 北京　100044)

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地溫對天燃氣中壓管道管材選擇的影響

趙立春，詹淑慧，見爽

(北京建筑大學 環(huán)境與能源工程學院， 北京100044)

摘要：介紹管道管頂?shù)販貙μ烊粴庵袎汗艿拦懿倪x擇的影響，以廣東地區(qū)一段長為5 000 m的天然氣中壓管道為例，考慮溫度對PMOP的影響，從工程投資、施工難易程度、后期管網(wǎng)運行維護等方面，對天燃氣中壓管網(wǎng)管材選擇進行分析.

關鍵詞：溫度； 中壓管道； 最大工作壓力(PMOP)； 經(jīng)濟比較

作為城市天然氣輸配系統(tǒng)的主要組成部分之一，天然氣中壓管網(wǎng)承擔著輸氣配氣的重要功能. 管材的合理選擇既提高了管網(wǎng)系統(tǒng)的安全性，還可以節(jié)約建設投資. 選擇管材不但要考慮不同壓力、流量的影響，還要考慮管道的PMOP，而PMOP的確定與埋地管道周圍地溫以及相關規(guī)范規(guī)定有關，所以埋地管道周圍地溫是影響天然氣中壓管道管材選擇的重要因素. 燃氣埋地天然氣管道普遍使用的是鋼管和PE管，目前國內(nèi)燃氣行業(yè)普遍使用的PE管有SDR11和SDR17.6兩種系列.

1溫度對PMOP的影響

最大工作壓力(PMOP)指正常工作壓力條件下，管線系統(tǒng)中最大實際工作壓力，而最大允許工作壓力(PMAOP)指管道系統(tǒng)中允許連續(xù)使用的最大壓力，顯然PMOP≤PMAOP. 在選擇管材時一定要考慮管道所能達到的PMOP，PMOP的確定主要考慮兩個方面，即埋地管道管頂?shù)販匾约跋嚓P規(guī)范.

城市燃氣管道大多埋地敷設，我國幅員遼闊，南北氣候相差較大，且四季溫差較大，華南大部分地區(qū)從6～10月，地下0.8 m處的土壤平均溫度在20 ℃以上，甚至會出現(xiàn)超過30 ℃的高溫. 在選擇天然氣管材時要考慮管道周圍土壤溫度對管道工作的影響，一般以管道頂部土壤溫度為準. 不同材質(zhì)的管道受到溫度影響亦不相同.

1.1溫度對鋼管的影響

Q235B材料的適用溫度在-20 ℃～100 ℃之間，在壁溫低于0 ℃時，要做低溫沖擊試驗，保證鋼管具有良好的低溫沖擊韌性. 燃氣管道埋深一般大于0.8 m，北方地區(qū)要敷設在土壤冰凍線以下，管道周圍土壤溫度在管材適應范圍之內(nèi)，所以管道埋地周邊溫度對鋼管工作壓力無影響.

1.2溫度對PE管的影響

聚乙烯是高分子聚合材料，與鋼管比較，在耐腐蝕及抗震性能方面占有明顯優(yōu)勢，但是聚乙烯作為一種熱塑性材料對溫度較為敏感[1]. PE管道的工作溫度為-20 ℃～40 ℃，并且在工作溫度范圍內(nèi)，不同溫度下輸送同種天然氣，PE管的最大允許工作壓力也會不同. CJJ63—2008《聚乙烯燃氣管道工程技術規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)規(guī)定了PE管道輸送不同燃氣時的最大工作壓力以及工作溫度對管道工作壓力的折減系數(shù)，由《規(guī)程》可以得到PE管輸送天然氣在不同溫度下的最大允許工作壓力，見表1.

1.3相關規(guī)范闡述

PMOP的確定要同時滿足幾項規(guī)范的要求，即在同時滿足以下幾項規(guī)范的基礎上確定管線系統(tǒng)中最大實際工作壓力.

1.3.1《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》

1)GB50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》(以下簡稱《燃規(guī)》)6.1.6中將城鎮(zhèn)燃氣管道的設計壓力(P)分為7級，中壓燃氣管道A設計壓力上限值為0.4 MPa[2]；

2)《燃規(guī)》6.6.9中規(guī)定在調(diào)壓器燃氣入口(或出口)處，應設防止燃氣出口壓力過高的安全保護裝置(當調(diào)壓器本身帶有安全保護裝置時可不設). 并且當調(diào)壓器出口壓力等于或大于0.08 MPa，但不大于0.4 MPa時，啟動壓力不應超過出口工作壓力上限0.04 MPa[2].

1.3.2《聚乙烯燃氣管道工程技術規(guī)程》

《規(guī)程》4.1.3中規(guī)定設計壓力不應大于最大允許工作壓力,即P≤PMAOP[3].

1.3.3《輸氣管道工程設計規(guī)范》

GB50251《輸氣管道工程設計規(guī)范》3.4.4中規(guī)定安全閥的定壓應小于或等于受壓設備和容器的設計壓力，即PN≤P[4].

2PMOP的確定

2.1鋼管的PMOP

鋼管PMAOP不受周邊地溫影響，可以取中壓管道A上限值0.4 MPa，根據(jù)《規(guī)程》設計壓力P≤PMAOP，P取最大值0.4 MPa，因PMOP≤PMAOP，若PMOP取0.4 MPa，根據(jù)《燃規(guī)》PN≤PMOP+0.04，即PN≤0.44 MPa，此時與《輸規(guī)》所述PN≤P矛盾，將PMOP調(diào)整到0.36 MPa，即為在滿足以上規(guī)范的基礎上中壓鋼管道可以達到的最大工作壓力.

2.2SDR11PE管的PMOP

PE100SDR11管在輸送天然氣時，PMAOP為0.7 MPa，無論是否考慮周邊地溫對其工作壓力的折減，在工作溫度范圍內(nèi)其PMAOP都大于0.4 MPa，PMAOP取中壓管道A壓力上限值0.4 MPa，與鋼管同理，在滿足以上規(guī)范的基礎上管道可以達到的最大工作壓力為0.36 MPa，即PMOP=0.36 MPa；

2.3SDR17.6PE管的PMOP

1)埋地管道管頂上表面溫度-20 ℃≤t≤20 ℃

當埋地管道管頂上表面溫度-20 ℃≤t≤20 ℃時，PE100SDR17.6管的PMAOP為0.4 MPa，此時與鋼管相同，PMOP=0.36 MPa;

2)埋地管道管頂上表面溫度20 ℃

當埋地管道管頂上表面溫度20 ℃

3)埋地管道管頂上表面溫度30 ℃

同理，當埋地管道管頂上表面溫度30 ℃

3管材選擇的其他影響因素

在天然氣中壓系統(tǒng)中，管材的選擇還要考慮施工的難易程度以及后期管網(wǎng)的運行維護，SDR11和SDR17.6兩種系列的PE管在上述兩方面沒有差別，在此可以簡化為PE管與鋼管的比較.

3.1施工難易程度

中壓燃氣PE管和鋼管的施工難易程度比較見表2.

3.2后期管網(wǎng)運行維護

中壓燃氣PE管和鋼管的后期管網(wǎng)運行維護比較見表3.

4舉例分析

以廣東地區(qū)一段長5 000 m，終點壓力要求不小于0.15 MPa的天燃氣中壓管道為例，考慮溫度對管材PMOP的影響，利用水力計算軟件計算不同流量時各種管材對應的末端壓力，對比管材綜合費用選擇合適管材. 天然氣物性參數(shù)見表4.

廣東省土壤溫度由傳熱學公式計算[5]：

t(y|τ)(tg(AeT(|y|(π/aZ))·

cos(2π/aZτ|y|(π/aZ))

(1)

(2)

式中：tg為土壤表面年平均溫度，℃;A為地面溫度波幅，℃;a為土壤導溫系數(shù)，m2/s;Z為地表溫度的變化周期，為8 760 h;τ為從Ag出現(xiàn)到計算時刻的時間，h;λ為土壤導熱系數(shù)，取0.85 W/(m·℃);Ρc為體積比熱容，取3 000 kJ/(m3·℃).

表4　天然氣物性參數(shù)

由式(1)和式(2)計算得到廣東地區(qū)距地表0.8 m處最高土壤平均溫度t為28.64 ℃(考慮最高地溫滯后于最高氣溫). 當20 ℃

計算結(jié)果見表5.

1)當0

2)當15 855 m3/h

3)當20 780 m3/h

表5　不同流量下不同管材及規(guī)格的經(jīng)濟比較

4)目前由于技術限制，天然氣PE管公稱外徑不大于630 mm. 考慮其材料強度較低，管徑越大受到外力破壞可能就越大，并且管徑越大PE管的經(jīng)濟性越差，所以Φ400以上的管很少選用，當Q>30 560 m3/h，根據(jù)流量選擇合適規(guī)格的鋼管.

5結(jié)論

廣東地區(qū)距地表0.8 m處最高土壤平均溫度為28.64 ℃，在選擇天然氣中壓管材時要考慮管道管頂?shù)販氐挠绊?以及管材的施工難易程度和后期管網(wǎng)的運行維護，建議如下：

1)當0

2)當15 855 m3/h

3)當20 780 m3/h

4)當Q>30 560 m3/h，選擇合適規(guī)格的鋼管.

參考文獻：

[1]王同友.聚乙烯燃氣管道在高寒地區(qū)的應用與研究[D].長春:吉林大學，2009

[2]GB50028—2006,城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范[S]

[3]CJJ63—2008,聚乙烯燃氣管道技術規(guī)程[S]

[4]GB50251,輸氣管道工程設計規(guī)范[S]

[5]牟靈泉.地道風降溫計算與應用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1982：6-8

[責任編輯：王志兵]

征訂啟事

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聯(lián)系人：佟啟巾

Ground Temperature Effects on the Selection of Natural Gas Medium Pressure Pipeline Material

Zhao Lichun,Zhan Shuhui，Jian Shuang

(School of Environment and Energy， Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044)

Abstract:The effects of selection of nature gas medium pressure pipeline material caused by the ground temperature of tube top are introduced，and taking the 5 000 m natural gas medium pressure pipeline at Guangdong area as example, considering the influence of temperature, engineering investment, difficulty of coustruction and the maintenance of pipeline etc., the analysis of pipeline material selection of natural gas midium pressure is carried out.

Key words:temperature； medium pressure pipeline； maximum operating pressure； economic comparison

中圖分類號：TU996.7

文獻標志碼：A

作者簡介：趙立春(1990—)，男，碩士研究生，研究方向：城市燃氣輸配.

基金項目：北京市科技計劃項目(D151100005515002)

收稿日期：2015-07-21

文章編號：1004-6011(2016)01-0070-04