基于環(huán)境低溫條件下天然氣管道優(yōu)化設(shè)計(jì)

王坤　馬振乾

摘 要：天然氣管道最冷月平均溫度 -20.6 ℃，極端最低溫度 -40℃，管道設(shè)計(jì)溫度 -25 ℃，設(shè)計(jì)壓力10 M Pa。天然氣管道采用 A、B 線并行的敷設(shè)方式，該管道已實(shí)現(xiàn)雙線通氣，有效緩解了天然氣供應(yīng)緊張的局面。通過對(duì)天然氣管道項(xiàng)目工藝設(shè)計(jì)中鋼管低溫脆性、管道水壓試驗(yàn)、閥門壓力等級(jí)和材質(zhì)選擇、放空立管防雨水功能 4 個(gè)代表性問題進(jìn)行分析，針對(duì)目前天然氣管道項(xiàng)目放空立管防雨水存在的缺陷而提出放空立管設(shè)計(jì)方案，對(duì)其后續(xù)工程或其他類似項(xiàng)目具有指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：天然氣管道;低溫脆性;材質(zhì)選擇;優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 鋼管的低溫脆性

為了防止管道中可能存在的污水在 0 ℃以下結(jié)冰而漲裂管道，對(duì)站場(chǎng)的排污管道采取保溫和電伴熱措施。冬季時(shí)，在正常運(yùn)行工況下，站場(chǎng)管道內(nèi)有天然氣流動(dòng)，能夠不斷補(bǔ)充管壁散失的熱量，維持管道溫度不低于0 ℃，不會(huì)發(fā)生低溫脆性斷裂;但是，因事故或檢修需要，天然氣管道停輸時(shí)，管內(nèi)天然氣停止流動(dòng)，管道溫度將很快降至大氣溫度。若鋼管技術(shù)規(guī)格書對(duì)可能出現(xiàn)的低于設(shè)計(jì)溫度的溫度未提出控制材料的低溫韌脆性要求，或廠家由于生產(chǎn)周期和工程施工進(jìn)度等原因無法給出韌脆性轉(zhuǎn)變點(diǎn)，為避免管道在低溫時(shí)發(fā)生脆性斷裂，應(yīng)對(duì)所有地上管道進(jìn)行保溫。采取保溫措施，可以有效降低溫度下降速率，若能夠在管道溫度下降至設(shè)計(jì)溫度前完成管道檢修，該做法值得推薦;但若溫度下降至設(shè)計(jì)溫度以下，僅靠保溫將無法解決材料的低溫脆性斷裂問題。ASM E B31.3 提出應(yīng)力比的概念 ，即管道組合應(yīng)力與材料許用應(yīng)力的比值。當(dāng)鋼管的應(yīng)力低于許用應(yīng)力時(shí)，可以進(jìn)一步降低沖擊試驗(yàn)的溫度，應(yīng)力比越小，可以降低的溫度幅度越大。在最低設(shè)計(jì)溫度不低于-104 ℃的前提下，當(dāng)應(yīng)力比低于 0.3 時(shí)，可以免除鋼管的低溫沖擊試驗(yàn)。ASM E 鍋爐和壓力容器規(guī)范對(duì)于碳鋼和低合金鋼的壓力容器提出了類似概念。

因此，針對(duì)停輸情況下放空管道以外的地上管道，確定如下操作原則：①停輸時(shí)，地上管道系統(tǒng)內(nèi)的天然氣在其降至最低設(shè)計(jì)溫度前及時(shí)放空，最大限度地降低管路和設(shè)備內(nèi)的組合應(yīng)力，使其在極端的大氣低溫條件下不會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂。②應(yīng)在管道溫度達(dá)到設(shè)計(jì)溫度時(shí)進(jìn)行啟動(dòng)輸氣操作。保溫措施可以延遲管道降低至最低設(shè)計(jì)溫度的時(shí)間，為管道不放空即能完成檢修提供時(shí)間保證，但若無法及時(shí)完成檢修，則應(yīng)按照以上原則執(zhí)行。

2 水壓試驗(yàn)

水壓試驗(yàn)可以提供預(yù)應(yīng)力，使鋼管中存在的裂紋鈍化，使裂紋尖端處于受壓縮狀態(tài)，從而提高材料韌性。同時(shí)，水壓試驗(yàn)可以揭示管道的原有缺陷。以天然氣管道某站直徑 323.9 m m 的鋼管為例，站場(chǎng)設(shè)計(jì)壓力 10 MPa，鋼管材質(zhì)為API5L GR.B，依據(jù) ASM E B31.8 的規(guī)定，該站屬于3 級(jí)地區(qū)（設(shè)計(jì)系數(shù)取 0.5），鋼管壁厚計(jì)算值為 13.43 m m ，最終取值為 14.3 m m 。工廠水試壓按照 12.8 M Pa 進(jìn)行，滿足API 5L 管道規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)壓力的要求 [3] 。但是，根據(jù)ASM E B31.8 中 841.342（b）的規(guī)定：對(duì)位于3 級(jí)或者4 級(jí)地區(qū)內(nèi)的干線或集管進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力不低于最大操作壓力的 1.4 倍。該站場(chǎng)最大操作壓力為 9.8 M Pa，因而現(xiàn)場(chǎng)靜水壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力應(yīng)不低于 13.72 M Pa。

專家認(rèn)為，工廠內(nèi)水試壓是工廠內(nèi)部質(zhì)量控制程序，無法為管道設(shè)計(jì)提供依據(jù)，工廠設(shè)計(jì)系數(shù)取 0.5 相當(dāng)保守;現(xiàn)場(chǎng)若設(shè)計(jì)壓力取13.72 M Pa，壁厚14.3 mm ，代入壁厚計(jì)算公式，反推出來的設(shè)計(jì)系數(shù)為0.644。因此，若鋼管質(zhì)量合格，無論工廠內(nèi)水試壓壓力高低，鋼管均應(yīng)能夠承受 13.72 M Pa 的壓力。在實(shí)際工作中，必須嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度試壓。為了確保鋼管在管道施工完畢后進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)萬無一失，設(shè)計(jì)方在向鋼管廠家提交的技術(shù)條款中應(yīng)告知現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)的壓力和所維持的時(shí)間，以便廠家就此條款重新確定工廠內(nèi)的水試驗(yàn)壓力;另一方面，鋼管廠家在投標(biāo)時(shí)也有必要將工廠內(nèi)的水試驗(yàn)壓力指標(biāo)列入標(biāo)書中，以供設(shè)計(jì)方和業(yè)主審查。

3 閥門壓力等級(jí)和材質(zhì)選擇

在天然氣管道工程項(xiàng)目所有閥門的技術(shù)規(guī)格書中，均要求閥門必須滿足環(huán)境溫度和操作條件，檢驗(yàn)與測(cè)試均需遵循 API 598、ASM E B16.34 以及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。該工程個(gè)別站場(chǎng)閥門設(shè)計(jì)溫度65 ℃，設(shè)計(jì)壓力 10 M Pa（壓力等級(jí) Class 600），所涉及閥門主要是法蘭端和焊接端閥門。ASM E B16.34 規(guī)定：若閥門材質(zhì)選擇的是壓力溫度額定值表 2-1.1 第 1.1 組所列材料，如A105，A216 GR.W CB，標(biāo)準(zhǔn)磅級(jí)的 Class 600閥門在 65 ℃溫度條件下將無法滿足設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力要求。為解決該問題，推薦如下方案：①提高閥門的磅級(jí)，即采用 Class 900 標(biāo)準(zhǔn)磅級(jí)閥門;②選擇特殊磅級(jí) Class 600 閥門;③選擇 Class 600 標(biāo)準(zhǔn)磅級(jí)閥門，Class 600 標(biāo)準(zhǔn)磅級(jí)閥門材質(zhì)需選用 ASM E B16.34壓力溫度額定值表 2-1.2 第 1.2 組中所列材料，例如A216 GR.W CC，A350LF6 CL.2，這些材料制作的閥門在 150 ℃溫度下仍能承受 10 M Pa 的壓力;④采用中間額定閥門，按照非強(qiáng)制型附錄 B 確定壓力-溫度額定的方法，適當(dāng)增加閥門壁厚，提高設(shè)計(jì)壓力以滿足設(shè)計(jì)要求。在計(jì)算過程中，采用插值法確定中間壓力-溫度額定值，但是 ASM E B16.34 第 2.1（f）指出，對(duì)于法蘭連接閥門，不允許對(duì)壓力-溫度額定值進(jìn)行磅級(jí)之間插值。閥門廠家可以根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力，從經(jīng)濟(jì)利益和供貨周期兩方面考慮選擇合適的方案。但是，在天然氣管道項(xiàng)目投標(biāo)書中，不少?gòu)S家選擇了A105、A216 GR.W CB Class 600 標(biāo)準(zhǔn)磅級(jí)閥門，也有廠家提出對(duì)法蘭連接的閥門選用中間磅級(jí)。作為專業(yè)的閥門生產(chǎn)廠家，對(duì)閥門的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范應(yīng)有深刻的理解，在設(shè)計(jì)閥門的同時(shí)應(yīng)仔細(xì)閱讀閥門技術(shù)規(guī)格書和數(shù)據(jù)單中所提到的各種要求，才能設(shè)計(jì)出滿足設(shè)計(jì)要求的閥門。如果廠家確有設(shè)計(jì)實(shí)力，可以對(duì)閥門進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)，但非標(biāo)閥門生產(chǎn)周期一般比標(biāo)準(zhǔn)閥門長(zhǎng)，價(jià)格偏貴，故不在推薦之列。

4 放空立管防雨水功能

防雨蓋和支承架選用厚 4 m m 的鋼板制作，旋轉(zhuǎn)軸由 ？ 14 圓鋼制作而成。加設(shè)防雨蓋目的在于防止雨水進(jìn)入放空管道，若放空管道沒有低點(diǎn)污水收集裝置，污水則無法排出。放空立管的防雨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在以下缺點(diǎn)：防雨蓋通常為關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)管道放空時(shí)，靠天然氣的沖擊力將其打開，故防雨蓋圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)需保持靈活，不能出現(xiàn)卡死工況;防雨蓋無法自動(dòng)復(fù)位，打開后必須人工復(fù)位，一般放空立管高度為3～15 m ，人工復(fù)位困難;防雨蓋和支承架材質(zhì)均為碳鋼鋼板，復(fù)位時(shí)鋼板的撞擊可能打出火花，存在安全隱患。

針對(duì)天然氣管道項(xiàng)目工藝設(shè)計(jì)中鋼管低溫脆性、管道水壓試驗(yàn)、閥門壓力等級(jí)和材質(zhì)選擇、放空立管防雨水功能 4 個(gè)代表性問題進(jìn)行了分析。在低溫時(shí)，通過采取保溫措施、控制材料低溫韌性或制定相應(yīng)站場(chǎng)操作原則，避免管道出現(xiàn)低溫脆性斷裂;關(guān)于管道水壓設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方在提交給鋼管廠家的技術(shù)條款中應(yīng)增加現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度試壓的壓力值和試壓所維持時(shí)間的信息項(xiàng)，鋼管廠家投標(biāo)時(shí)應(yīng)將工廠內(nèi)的水試驗(yàn)壓力指標(biāo)列入標(biāo)書中;在選擇閥門壓力等級(jí)和材質(zhì)方面，采用標(biāo)準(zhǔn)磅級(jí)、特殊磅級(jí)、提高磅級(jí)或者中間額定 4 種方案，以解決閥門不滿足設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度要求的問題;針對(duì)目前項(xiàng)目放空立管防雨水存在的缺陷，提出了新的放空立管設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 環(huán)境地溫對(duì)長(zhǎng)輸天然氣管道工藝優(yōu)化的研究[J]. 楊洪玲. ?化學(xué)工程與裝備. 2016（12）