国内外油气管道线路设计的校核比较 4页

学兔兔www.xuetutu.com石油天然气学报(江汉石油学院学报)2014年8月第36卷第8期JournalofOilandGasTechnology(J．JPI)Aug．2014Vo1．36No．8国内外油气管道线路设计的校核比较何祖祥(中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000)闰志强(中国石油天然气管道局国际事业部，河北廊坊065000)黄超(中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000)[摘要]油气管道工程正逐步走向区域更广的国际市场，工程技术人员所采用的标准规范也逐渐由国家及行业标准转向美标或国际通用技术规范。针对线路设计中所要求的管道组合应力的校核、轴向稳定性校核以及公路穿越管段的强度校核，分析这3个校核中国家标准与国外标准或工程实践的计算公式的差异，技术人员可根据项目需要选用合适的计算模型，用于指导计算书及相关设计文件的编制。[关键词]油气管道；组合应力；轴向稳定；公路穿越[中图分类号]TE973．1[文献标志码]A[文章编号]1000—9752(2014)O8—0241—04当前海外石油市场重要性逐年增加，长输油气管道项目也逐步从国内走向国际市场，初步建成了非洲、中亚、南美、中东和亚太5个海外油气合作区。项目业主及监理也从单一的中方而变成外方管理，由于国外很多业主监理方不认同或者不熟悉中国国家标准，在这些海外项目的设计中，仅少数国家允许采用中国国标。其他国家和地区则要求采用国际较通用的技术标准，如美国的ASME、API标准，壳牌的DEP标准以及国际ISo标准等。在这种背景下，油气管道设计所执行的标准与规范也从以往的国家标准或行业标准转向国外较普遍认可的欧美标准或技术规范。笔者针对国内外标准中管道线路设计所涉及到的组合应力校核、轴向稳定性校核、穿越公路强度校核等3个计算做出比较，分析其中的差异。管道组合应力校核油气管道按设计内压产生的环向应力来计算理论壁厚，并根据项目需要考虑一定的腐蚀余量，在该基础上选用钢管壁厚，然后根据管道是否受到轴向约束而分别进行应力校核。对于直线段埋地管道，在嵌入土壤一定距离后就因为土壤摩擦力的积累而不能产生轴向位移，可视为完全受约束。在内压作用下管道轴向因不能自由收缩而产生泊松应力；当温度变化时，由于管道不能伸缩还将产生温度应力。泊松应力与温度应力组合成轴向应力。根据《输油管道设计规范》(GB50253)和《输气管道设计规范》(GB50251)_1]，对于埋地受约束表1国标中当量应力校核段管道直管段，按最大剪应力破坏理论计算当量应力，当轴向应力为压应力(负值)时，计算校核公式如表1所示。由于公式中符号变量较多，并且均可从相应标准规范中查阅到，若无特殊说明，文中对符号变量注：“SMYS”表示钢管的最低屈服强度。不做详细描述(下同)。根据美国标准《液态烃和其他液体管线输送系[收稿日期]2014一o7—12[作者简介]何祖祥(1978一)，男，2001年武汉大学毕业，工程师，现主要从事长输管道的线路设计工作。 学兔兔www.xuetutu.com．242．油气管道工程2014年8月环向应力s一s一≤0．72SM"／S未明确热膨胀应力SF一昂(Tl—T2)ST一昂(Tl—T2)≤0．9SMYS未明确sI一sE+II+M+／A轴向应力s--一sT+o．3SH+-~---R／A≤0．9SMYS≤0．9SMYS组合应力S一1sslS一2VE(SL—SH)／2]。+S}4o．9SMYS≤0．9SMYS可等同于lS一SHl或者ESt—SLSH+]。从表l、2可以看出，对于环向应力计算，国标中取用的是钢管内径，美标中取用的是钢管外径，计算结果会有细微差别。对于组合应力计算，美标与国标的差别主要是轴向应力计算表达式不同。在美标中，对于埋地直管段，当不考虑如弹性敷设产生的弯曲应力M／z和额外附加应力／A、尺／A(可以为零)时，表达式基本一致。另外根据ASMEB31．4中表403．3．1-1，以及ASME]331．8中章节833．3和833．4要求，对于各应力限用值的范围也有所不同。2管道轴向稳定性校核油气管道因为温差和压力变化将产生轴向应力，当轴向应力超过土壤与管道间的摩擦力时，多余的能量将使管道沿一个阻力最小的路径移动，由于管沟侧壁的被动土压力限制了管道的横向摆动，如果轴向压力过大，会使管道丧失轴向稳定而造成破坏或拱出地面。根据《输油管道设计规范》(GB50253)第5．6．3节的要求，对于加热输送的埋地管道，轴向稳定性验算应符合下列表达式(1)、(2)的要求。N≤(1)N一[(t2一t1)4-(0．5一)h]A(2)式(1)中临界轴向力的计算公式是取自前苏联的《干线管道设计手册》和《干线管道强度及稳定性计算》，其值按埋地管道敷设类型可分为：直管段临界失稳的临界轴向力、向上突起弯曲管段开始失稳时的临界轴向力。根据文献[5]中推导，由于弯曲管道失稳临界轴向力比直管道要小，所以在实际计算中，一般是按相对简单的直管段临界轴向力计算公式进行校核，只要满足了直管段的临界轴向力，则必然能满足弯曲段的临界轴向力要求。在美标中对于管道稳定性校核无详细说明，但在壳牌DEP标准中有详细要求。以中东地区的一些项目为例，外方业主通常会要求对油气管道可能发生纵向失稳的区段进行校核并单独出计算报告，主要包括两类计算：①对地形起伏较大地区的突起弯曲管段验证管道稳定性；②“点支撑缺欠”状态下(即在管道下沟期间，当管沟内落入杂物，沟槽内突起造成管道在该处局部悬空弯曲，见图1)的管道进行纵向失稳分析。这两类计算采用的方法可参考壳牌技术标准ShellDEP31．40．10．16(2013版)。对于“点支撑缺欠”状态下管道的稳定性校核，还有一种比较常用的工程实践方法，即根据文献[7]中叙述的计算模型，为避免管道产生纵向失稳所需的最小的向下力由式(3)确定。w一[．e一()×√]×[P×√]c3，式中：为最小向下力，kg／m；W为带介质的管重，kg／m~P为轴向应力，kg；△为缺欠高度，m； 学兔兔www.xuetutu.com第36卷第8期何祖祥等：国内外油气管道线路设计的校核比较E，为管道抗弯刚度，kg·m2。受影响的管道缺欠长度L为：L—×√()j㈤在设计阶段，通过假设施工过程中可能存在的管沟缺欠高度来进行演算，例如在计算中可以取△一0．1、0．2、0．3m⋯范围内的离散值验证管道在不同的缺欠高度下是否发生轴向失稳。当管道的轴向稳定性不能得到保证时，就应采取措施来避免，如夯实回填土、清理管沟或增大管道埋深等措施。／／管道＼＼缺欠高度△矗．∥，／／／。■▲JIIl●、‘拐点缺欠长度L图1点缺欠下管道纵向失稳示意图从上面分析比较得出，国标中对输气管道的轴向稳定性校核没有规定，只对加热输送的油管道轴向稳定性校核有要求。对于加热输送的油管道，由于弯曲管道的失稳临界轴向力比直管段要小，所以一般只做直管段的轴向稳定性计算。在壳牌DEP技术标准中，对油气管道都要做轴向稳定性校核，并且根据管道的敷设类型，对地形起伏较大地区的突起弯曲管段、“点支撑缺欠”状态下管道稳定性要分开计算。3管道穿越公路的强度校核管道穿越公路可分为无套管穿越、钢套管穿越和混凝土套管穿越。国内等级公路穿越一般采用混凝土套管穿越，国外项目多采用钢套管穿越形式。无套管穿越，国内采用的标准《钢质管道穿越铁路和公路推荐做法》(SY／T0325)_8]在技术内容上基本等效于美标API1102标准。校核由环向应力、轴向应力及径向应力所产生的总有效应力是否在管道所能承受的应力范围内。另外校核公路、铁路下穿越管段焊缝由于活荷载的周期环向应力、轴向应力产生的潜在疲劳。疲劳校核是将垂直于管线焊缝的应力分量与该应力许用值(疲劳极限)进行比较，包括环向焊缝和纵向焊缝的疲劳校核。钢套管壁厚的取值，可直接按《钢质管道穿越铁路和公路推荐做法》(SY／T0325)规范中附录C表中穿越铁路的套管最小壁厚进行选择_g]。对于混凝土套管穿越，套管上方填土产生的垂直线荷载(恒载)计算式为口：q1—1(H+)D(5)式中：q为垂直线荷载，kN／m；7为土壤容重，kN／m3；H为套管顶土层厚度，m；D为套管外径，Ill_。车辆产生的活荷载q活为：q活一[O．478+]D㈣式中：，为冲击系数，可取1．5；P为集中荷载，汽车单轴重量，kN；r为两后轴的水平距离，m。 学兔兔www.xuetutu.com油气管道工程2014年8月根据《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60)第4．1．6条，混凝土套管承载能力极限状态组合q为：q一1．2ql+1．4qa(7)将计算的承载力与所选用的钢筋混凝土套管的破坏荷载进行比较，以判断所选用的钢筋混凝土套管是否满足强度要求。4结语综上所述，钢管组合应力校核国内外标准基本上是殊途同归，只是公式表达形式和应力限值要求略有不同；管道的轴向稳定性校核采用不同的计算方法，但是出发点基本一致，需验算直管段和突起弯曲段的轴向稳定性；管道穿越公路需按是否采用套管及选用套管类型分别进行校核，国外项目一般验算无套管的钢管强度与焊缝是否满足要求。若是钢套管穿越，则根据相应标准直接选择钢套管的规格。在实际应用中，设计人员要根据项目特点和业主监理的要求选用合适的标准和计算方法，首先应满足项目所在国的标准或规范，若项目所在国无系统的标准规范，则通常参照执行API、ASME及通用的石油公司的企业技术规范。避免由于标准认知与习惯不同而造成设计文件的反复修改而延长文件审查时间。随着我国石油国际化进程的加快，越来越多的海外项目需要国内工程技术人员来承担，相关技术人员在接触国际标准的过程中，如何更好地学习、理解和应用好欧美系列标准，是迫切需要探讨和解决的现实问题。只有学好、用好国际标准，才能在工程建设过程中少走弯路，在单独面对跨国公司的国际石油工程时，才能具备更强的技术竞争力。[参考文献][1]GB502512∞6，输气管道设计规范[S]．EelGB502532006，输油管道设计规范[S]．[3]ASMEB31．42012，液态烃和其他液体管线输送系统[S]．[4]ASMEB31．82012，输气和配气管道系统[s]．[5]潘家华，郭光臣，高锡祺．油罐及管道的强度设计[M]．北京：石油工业出版社，1993．288~292r6]ShellDEP31．40．10．16，UpheavalBucklingofPipelinesrS]．[7]PalmerAC．DesignofSubmarinePipelinesagainstUpheavalBuckling[J]．OTC--6335，1990．E83SY／T03252001，钢质管道穿越铁路和公路推荐做法[s]．[9]GB50423一一2007，油气输送管道穿越工程设计规范[s]．[1olJTGD602004，公路桥涵设计通用规范Es3．[编辑]黄鹂