氢气与天然气长输管道线路设计ASME标准对比分析 7页

氢气与天然气长输管道线路设计ASME标准对比分析蒋庆梅。张小强(中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000)摘要：对ASMEB31．12—2014与ASMEB31．8—2014关于埋地长输管道线路设计部分中管材选择、管道设计、管道焊接及无损检测、管道试压、管道阀室、埋深、间距等方面进行了对比分析，得出：与天然气长输管道设计相比，氢气长输管道用钢管选材存在一定限制条件，其直管段钢管设计公式中考虑了材料性能系数的影响，热煨弯管设计方法不同，强度试压介质及试压压力值存在差别，在钢管焊前预热及焊后热处理、埋地管道最小覆土厚度、与地下其他管道和建构筑物间距及穿越公(铁)路套管要求等方面要求更严格。氢气与天然气长输管道对冷弯弯管、环焊缝无损检测、阀室设置以及严密性试压的相关要求是一致的。所以，应用现有天然气管网设施输送氢气及天然气管道转变为氢气管道时需要进行全面分析、论证，确保管道安全可靠。关键词：氢气；天然气；长输管道；线路设计；对比分析中图分类号：TH49；TE832；T一651文献标志码：B文章编号：1001—4837(2015)08—0044—06doi：10．3969／j．issn．1001—4837．2015．08．008ContrastiveAnalysisofASMEStandardsforRouteDesignofHydrogenandNaturalGasLong-distanceTransp0rtatiOnPipelineJIANGQing—mei，ZHANGXiao—qiang(ChinaPetroleumPipelineEngineeringCorporation，Langfang065000，China)Abstract：Contrastsweremadeaboutpipematerialselection，pipelinedesign，pipelineweldingandnonde—structivetesting，pressuretest，valves，cover，clearance，andcasingrequirementsforburiedlong—distancetransportationpipelineinASMEB31．12—-2O14andASMEB31．8—_2014．andconclusionsareasfol-lows：comparedwiththedesignofgastransmissionpipeline，pipematerialselectionofhydrogentransmis。sionpipelinehascertainconstraints，materialperformancefactorisconsideredinthestraightpipedesignformula，hotbendsdesignmethodandpressuretestmediumandrequirementsaredifferent．Therequire—mentsforpreheatingandpostweldheattreatment，cover，clearancebetweenpipelinesandotherunder—groundstructures，andcasingunderrailroads，highways，roadsorstreets，etc．arestricterthanthatforgastransmissionpipeline．Therequirementsforcoldbends，nondestructivetesting，valvesandleaktestareconsistentwiththatforgastransmissionpipeline．Inordertoensurethesafetyandreliabilityofpipe，acomprehensiveanalysisneedtobedonewhenusingtheexistingnaturalgaspipelineinfrastructureforhy—drogentransportandconvertingnaturalgaspipelinesintohydrogenpipelines．Keywords：hydrogen；naturalgas；long—distancetransportationpipeline；pipelineroutedesign；contrastiveanalysis．44． 第32卷第8期压力容器第273期会编制的ASMEB31．12—20l4《HydrogenPiping0引言andPipelines}。。。天然气长输管道设计常用的国外规范为ASMEB31．8014《GasTransmission氢能作为一种洁净的可再生能源，以其来源andDistributionPipingSystems}。广泛、转化效率高、零污染等优势，被视为21世纪本文针对ASMEB31．12_2014与ASME最具发展潜力的清洁能源¨，可以广泛应用于化B31．8_2014中关于埋地长输管道线路设计部工、石化、机械、电子、轻工、纺织、航空、航天以及分的管材选择、管道设计、管道焊接及无损检测、核工业等诸多领域。氢能要得到广泛应用，势管道试压、管道阀室、埋深、间距等方面进行对比必需要完成大规模、长距离的氢气输送工作。迄分析，为应用现有天然气管网设施输送氢气及天今为止，长距离管道输送氢气已有60余年的历然气管道转变为氢气管道提供借鉴。史_jJ，但氢气管道的发展远远落后于天然气管道的发展。以美国为例，其现有天然气管道长度为1管材选择氢气管道的2800多倍，氢气管道的造价是天然气管道造价的2倍多，氢气的输送成本比天然气输目前，长输天然气管道设计中常用的钢管是送成本要高很多。所以，使用现有天然气管网设根据APISPEC5L《SpecificationforLinePipe}J施输送氢气，优势比较明显J。的要求制定的，ASMEB31．12Ol4及ASME关于氢气管道的标准，国内有GB50177—B31．8_2014中均指明可以用APISPEC5L中的2oo5~氢气站设计规范》和GB4962-2008《氢相关管材，但是钢级、管型要求不同。APISPEC气使用安全技术规程》J，但是这两个标准均不5L第45版中可接受的钢管制造工艺和产品规范适用于埋地氢气长输管道的线路设计。国外适用水平如表1所示。于氢气长输管道设计的标准有美国机械工程师协表lAPISPEC5L第45版中可接受的钢管制造工艺和产品规范水平PLS1钢管等级①PLS2钢管等级①钢管类型A25~A25P~ABX42～X70B～X80>X80～X100>X10O～X120无缝钢管、／、／＼／、／、／、／、／。——连续炉焊管、／、／_——_——_——●——_-——_。——低频焊管＼／。●——＼／、／、／。——●_——_。——高频焊管、／_——、／、／、／、／。——_。——激光焊管_——’-——●——_——、／_。——_——●_——直缝埋弧焊管③_——●_——、／、／、／、／、／、／螺旋缝埋弧焊管④_——●_——、／、／、／、／、／、／直缝组合焊管③_——_——、／、／、／、／。——_。——螺旋缝组合焊管④_——●。——、／＼／＼／、／_——’。——注：①如果有协议，可采用中间钢级，但限于高于X42的钢级；②钢级A25和A25P限于D≤141．3mm的钢管；③如果有协议，可采用双缝管，但限于D~>914mm的钢管；④限于D≥114．3mm的螺旋缝钢管。、／表示适用。ASMEB31．8__2O14中规定的可选用钢管直缝埋弧焊管、螺旋缝埋弧焊管、高频电阻焊管及包括APISPEC5L第45版中所有钢管，在实际工无缝钢管。在氢气长输管道中，由于氢与金属反程中，一般优先选择高钢级钢管，常用管型有应可能会造成管道失效，钢管成型、焊缝、缺陷、钢·45· 氢气与天然气长输管道线路设计标准对比分析Vo1．32No．82015级等都会影响其失效概率，所以ASMEB31．12—ASMEB31．12_2014中推荐采用APISPEC5L2014中限定了APISPEC5L中几种可用类型，并PSL2级X42，X52钢管，同时规定必须考虑氢脆、指明禁止使用炉焊管，具体如表2所示。低温性能转变、超低温性能转变等问题。所以在应用现有天然气管网设施输送氢气及天然气管道表2ASMEB31．12—20l4中规定的可用钢管转变为氢气管道时需要重点考虑。标准钢级钢管类型2管道设计A电阻焊管、双缝埋弧焊管B电阻焊管、无缝钢管、双缝埋弧焊管由于氢气会引起管道的氢致失效，所以(规定的最小屈服强度241MPa)ASMEB31．12-2014与ASMEB31．8—2014中钢管设计公式不同，ASMEB31．12_-20l4中钢管壁X42电阻焊管、无缝钢管、双缝埋弧焊管厚设计公式比ASMEB31．8_2014增加一项“材(规定的最小屈服强度290MPa)料性能系数”。材料性能系数指氢气对碳钢管道机械性能的不利影响。增加材料性能系数后，X52电阻焊管、无缝钢管、双缝埋弧焊管钢管计算壁厚值会相对增大，设计压力会相对降(规定的最小屈服强度359MPa)低，这样更有利于保障氢气长输管道安全。针对不同钢管类型，两个标准中设计公式涉及到的纵电阻焊管、无缝钢管、双缝埋弧焊管X56向焊缝系数E、设计系数F取值也稍有区别，目的APISPEC(规定的最小屈服强度386MPa)也是为了增加氢气管道的安全性，在实际计算中5L—_2oo7需要特别注意。X60电阻焊管、无缝钢管、双缝埋弧焊管2．1直管段钢管设计公式(规定的最小屈服强度414MPa)ASMEB31．12-_2014中，钢制输气管线系统的设计压力或一定设计压力下的公称壁厚应按下电阻焊管、无缝钢管、双缝埋弧焊管X65式计算J：(规定的最小屈服强度448MPa)①，，+P=-~。-。FETHi(1)上，X70电阻焊管、无缝钢管、双缝埋弧焊管式中P——设计压力，MPa(规定的最小屈服强度483MPa)①Js——规定的最小屈服强度，MPa。几种常用钢管规定的最小屈服强度已在表X80电阻焊管、无缝钢管、双缝埋弧焊管2中列出(规定的最小屈服强度552MPa)①￡——公称壁厚，mm注：①最大操作压力(MOP)不能超过10．3MPa。D——钢管的公称外径，mm除非有其他说明，所有材料的最大操作压力(MOP)不能超过F——设计系数，按照断裂控制和止裂的20．7MPa；钢管含Ni量大于0．5％(质量分数)时，不允许使用；不同方法，按照表3取值，考虑了壁采用基于管材性能设计方法时，钢管含P量不能超过0．015％厚负公差及裕量(质量分数)。E——纵向焊缝系数，按照表4取值通过以上对比可以发现，氢气长输管道用钢卜温度折减系数，按照表5取值管在合金元素、钢级、管型、操作压力方面与天然——材料性能系数，按照表6取值气管道相比存在一定限制范围。这主要是因为合ASMEB31．8_2014中，钢制输气管线系统金元素如C，Mn，S，P，Cr等会增强低合金钢的氢的设计压力或一定设计压力下的公称壁厚应按下脆敏感性；同时，氢气压力越高、材料的强度越高，式计算J：氢脆和氢致开裂现象就越明显，因此，在实际工程，"+P=朋(2)中，氢气长输管道用钢管优先选择低钢级钢管。．46． 第32卷第8期压力容器第273期表3设计系数FASMEB31．12—_2O14地区等级规范化设计方法采用的基于管材性能的ASMEB31．8—-2014设计系数设计方法采用的设计系数一类——_——O．80一级地区二类O．5O0．720．72二级地区0．50O．600．60三级地区0．5O0．50O．5O四级地区0．400．400．40表4钢管纵向焊缝系数E表5温度折减系数标准钢管类型纵向焊缝备注标准温度／℃温度折减系数系数E无缝钢管1．00≤1211．O00ASMEB31电阻焊钢管1．00．12—2O14双直缝埋弧焊管1．001490．967无缝钢管1．0o若纵向焊缝类ASMEB31．12—_20141770．933型不确定，则对电阻焊钢管1．00DNIO0lnln或更ASMEB31．8—-2014ASMEB31埋弧焊管小的钢管，E取2o40．900．8—0141．000(直缝或螺旋缝)．6；对大于DN100mm的钢2320．867连续炉焊管O．6O管，E取0．8表6碳钢钢管材料性能系数Hf规定的最小强度／MPa设计压力／MPa拉伸强度屈服强度≤6．913．815．216．617．919．32O．7≤455≤3591．01．00．9540．9100．8800．8400．780≤517≤4140．8740．8740．8340．7960．7700．7340．682≤566≤4830．7760．776O．7420．7060．6840．652O．6O6≤621≤5520．6940．6940．6620．6320．6100．5840．5422．2参数限制条件分成两类，分别对应不同的设计系数，具体见表两个规范中关于设计压力尸、规定的最小屈3。对于穿越等特殊地段的设计系数，ASME服强度Js、温度折减系数的限制条件是一致的，B31．12-2014中曰方法与ASMEB31．8_2014但是对于设计系数F和地区等级及纵向焊缝系中规定的系数相同，但是A方法中给出的设计系数E却不尽相同。数与方法及ASMEB31．8—20l4均不同，总体ASMEB31．8_．2014中规定：一级地区一来说，A方法设计系数更小一些。类：指一级地区，其管线设计系数大于0．72，但等由于ASMEB31．12014中考虑了氢气的于或小于0．80。此条规定不适用于氢气长输管物理性质及对其管材的影响，所以其对钢管设计道，ASMEB31．12—2014中无此分类。其余地区系数F及纵向焊缝系数E等的要求相对更严格等级划分方法一致。ASMEB31．12-．2O14中规一些。定了对应于A方法(规范化设计方法)和方法2．3弯管设计(基于管材性能的设计方法)的4种地区等级的由于冷弯弯管是现场利用直管弯制的，对其设计系数，而ASMEB31．8O14中将一级地区最小曲率半径有一定要求，与输送介质无关，所以．47． CPVT氢气与天然气长输管道线路设计标准对比分析V01．32No．82015两个标准中关于冷弯弯管规定是一致的。冷弯弯B31．12_2O14中对焊前预热和焊后热处理的要管的最大弯曲角度按表7中的要求进行，表中规求更加严格。焊前预热可以使焊缝金属中的氢逸定了两种方法，一种表示对应单位管径长度的最出，同时降低焊接应力和结构拘束度，避免产生裂大弯曲角度；另一种表示对应公称外径的最小曲纹；焊后热处理可以消除焊接热应力，使焊缝和热率半径。只要制作好的弯管能满足其他所有要影响区组织均匀、晶粒细化、降低焊缝氢脆的发生求，并且弯制后的管壁厚度不小于2．1节中计算率等，这对氢气管道这种输送特殊介质的管道来的最小厚度J，现场冷弯弯管的最小曲率半径可说至关重要。所以，相较于天然气管道，氢气管道小于表7中的规定值。需要进行更加严格的焊前预热和焊后热处理，以保证管道更加安全。其具体要求如下。表7冷弯弯管要求ASMEB31．12_2014中规定¨J：碳钢预热温钢管公称纵向轴线偏角／。最小曲度为80℃，壁厚≤32mm时不进行焊后热处理，外径／mm率半径其余的焊后热处理温度为595—650℃，保温1h；)设计，即：热煨弯管内弧面设计壁厚按照下式计算，中性轴和外弧面处的壁厚不小于对接直管段壁厚或业主ASMEB31．12—2O14H中规定强度试压压力规定的最小壁厚J。为1．5倍的最大允许操作压力(MAOP)，保压至少2h。ASMEB31．8_2014中规定一、二级地[](3)区试压压力最小为1．25倍的最大操作压力式中——内弧面需要的最小壁厚，mm(MOP)；三、四级地区试压压力最小为1．5倍的R——中心线半径，mm最大操作压力(MOP)。两个标准对于穿越段和——公称外径，mm三、四级地区试压要求相同。ASMEB31．12—￡——公称壁厚，mm2014对一、二级地区强度试压要求明显更加严格，这主要是因为在同等条件下，氢气管道壁厚要3管道焊接及检测比天然气管道壁厚稍微大一些，因此可以适当提高试压压力，以保证管道更加安全可靠。关于焊接方面的要求，两个标准对焊前预热两个标准对于严密性试压的相关要求是一及焊后热处理的要求不同，总体来说ASME致的。·48· 第32卷第8期压力容器总第273期越公(铁)路等套管要求方面存在区别，具体见表5管道阀室、埋深、间距及套管要求8。由于氢气是分子量最小的元素，比天然气更易于泄漏，适当加大埋深，可以有效避免第三方的破两个标准中关于阀室设置的相关要求是一致坏，穿越公(铁)路、街道等套管必须加设排气的，不因输送介质不同而不同。在埋地管道最小管，这是为了能有效监测氢气泄漏，避免发生覆土厚度、与地下其他管道和建构筑物间距及穿事故。表8管道埋深、间距及套管的不同要求标准埋地管道最小覆土厚度／与地下管道及建构穿越公(铁)路、mm筑物最小间／~／mm街道等套管要求914(正常开挖地段)457(若不能保证足ASME610(石方地段)够间距，则需要采套管必须加设B31．12—_20141219(农田地段)取相应保护管道的排气管914(对于天然气管道转化为氢气管道时的农田地段)措施)爆破开挖石方段地区等级正常开挖地段管径≤DN500管径>DN500150(若不能保证足ASME一级地区61030o460够间距，则需要采不强制要求套B31．8—．2014二级地区760460460取相应保护管道的管必须加设排气管三级地区760610610措施)四级地区910610610压力是相同的，介质为水；而天然气长输管道根据6结论不同地区等级，试压压力不同，试压介质也不同。两者对于严密性试压的相关要求是一致的。通过对ASMEB31．12—2014与ASMEB31．8(5)氢气与天然气长输管道对阀室设置的要__2014中关于埋地长输管道线路设计部分中有求是一致的，但在埋地管道最小覆土厚度、与地下关管材选择、管道设计、管道焊接及无损检测、管其他管道和建构筑物间距及穿越公(铁)路套管道试压、管道阀室、埋深、间距等方面的对比分析，要求等方面，氢气长输管道更严格一些。得出如下结论。(6)应用现有天然气管网设施输送氢气及天(1)在合金元素、钢级、管型、操作压力等方然气管道转变为氢气管道时，需要全面分析、论面，氢气长输管道用钢管与天然气管道相比存在证，确保管道安全可靠。一定限制条件，在管材选择时还需要考虑输送介参考文献：质氢气对钢管产生氢脆等不利影响。(2)氢气长输管道钢管设计公式中引入了钢[1]郑津洋，李静媛，黄强华，等．车用高压燃料气瓶技术发展趋势和我国面临的挑战[J]．压力容器，管材料性能系数，与天然气钢管相比，对公式2014，31(2)．43—51．中各参数的限制条件也存在区别。在同样压力或[2]赵维亮，祁小荣，张香晋，等．石油化工企业氢气综壁厚条件下，氢气长输管道钢管壁厚更大，设计压合利用[J]．中国化工贸易，2015，7(16)：283．力更小。氢气与天然气长输管道对冷弯弯管要求[3]沈显超，马斌．中美氢气标准对比分析[J]．化工生一致，但对于热煨弯管设计存在差别。产与技术，2014，21(4)：52—54．(3)氢气与天然气长输管道对环焊缝无损检测[4]黄明，吴勇，文习之，等．利用天然气管道掺混输送的相关要求是一致的，在钢管焊前预热及焊后热处氢气的可行性分析[J]．煤气与热力，2013，33(4)：理方面要求不同，氢气长输管道要求更严格一些。39—42．(4)氢气长输管道不同地区等级的强度试压(下转第25页)．49· 第32卷第8期压力容器第273期nismofbiaxialthermalratchetingdeformationinthin—walledcylindricalshells[J]．EngineeringMechan-ics，1992，9(4)：58—69．2．0[3]郑小涛，轩福贞．热一机载荷下厚壁圆筒自增强压力与安全性分析[J]．机械工程学报，2010，46(16)：156—161．[4]郑小涛，彭常飞．热一机械载荷下u型对焊焊接接1．0头的安定性[J]．焊接学报，2013，34(10)：1—4．[5]ZHENGXiaotao，XUANFuzhen．Autofettageandshake—downanalysisofstrain—hardeningcylindersunderthermo—mechanicalloadings『J]．JoumalofStrainA—nalysisEngineeringandDesign，2011，46(1)：45—55．O3．05．0[6]ReinhardtW．Anon—cyclicmethodforplasticshake．七downanalysislJ1．JournalofPressureVesselTechnol—ogy，2008，130(3)：0312091—0312096．图4理论解与有限元结果比较[7]Adibi—AslR，ReinhardtW．Non—cyclicshakedown／ratchetingboundarydetermination-Part1：Analytical4结语approach[J]．InternationalJournalofPressureVesselsandPiping，2011，88(8)：311—320．(1)基于非循环法、min{P，2p}法以及分析『8]Adibi—AslR，ReinhardtW．Non—cyclicshakedown／设计理论，推导了承受循环内压载荷下厚壁圆筒ratchetingboundarydetermination-Part2：Numerical棘轮极限的解析解。implementation『J]．InternationalJournalofPressure(2)提出了循环内压载荷下厚壁圆筒棘轮工VesselsandPiping，2011，88(8)：321—329．[9]郑小涛，轩福贞．压力容器与管道安定性分析与评程设计方法，并采用有限元方法进行了验证。估方法进展[J]．压力容器，2010，27(10)：36—45．(3)由分析设计法与min{P，2p}法求出的[10]郑小涛，轩福贞，喻九阳．压力容器与管道安定／棘安定极限基本一致，而非循环法得到的结果相对轮评估方法研究进展[J]．压力容器，2013，30(1)：而言比较大。在比例加载时rain{P，2pl法更加45—53．简洁精确。收稿日期：2015—07—01修稿日期：2015—07—31参考文献作者简介：彭红宇(1989一)，女，主要从事结构分析计算方面的研究工作，通信地址：430205湖北省武汉市武汉工程ZhengXT，XuanFZ．Shakedownofthickcylinderswith大学流芳校区机电工程学院，E—mail：429890659@qq．con。radialopeningsunderthermomechanicalloadings[J]．通讯作者：郑小涛(1982一)，男，博士／硕士生导师，主要JournalofPressureVesselTechnology，2011，134(1)：从事结构完整性方面的教学和研究工作，通信地址：0112051—0112057．430205湖北省武汉市武汉工程大学流芳校区机电工程学[2]CHENGang，DINGXingwei，HEKuangguo．Mecha—院，E—mail：xiaotaozheng@163．como(上接第49页)[5]GB50177-2005，氢气站设计规范[s]．[10]孙宏，王庆强．国际高强度管线钢管的研究进展[6]GB4962-2008，氢气使用安全技术规程[s]．[J]．压力容器，2012，29(1)：32—38．[7]ASMEB31．12014，HydrogenPipingandPipelines[s]．收稿日期：2015—07—08修稿日期：2015一O8—06[8]ASMEB31．8—2014，GasTransmissionandDistribu—作者简介：蒋庆梅(1986一)，女，工程师，主要从事油气长tionPipingSystems[S]．输管道设计及焊接工艺研究工作，通信地址：065000河北[9]APISPEC5L，forty—fifthedition，SpecificationforLine省廊坊市和平路146号中国石油天然气管道工程有限公司Pipe[S]．管道设计院线路室，E—mail：jiangqingmei@cnpc．con．cn。·25·