天然气高压管道弯管壁厚减薄率的确定

天然气高压管道弯管壁厚减薄率的确定

摘要：本文从理论上推导出了高压燃气管线弯管壁厚减薄的计算公式，并与有关规范及技术规范中所提出的计算方法相吻合，并经实际应用，验证了该公式的正确性。关键词：弯管；公式；高压管道随着我国经济的发展，天然气成为清洁高效的能源，得到了越来越多的使用。在天然气高压管线施工中，当管线走向发生变化时，常用的施工方式有弹性敷设、现场冷弯弯管、热弯弯管等。在弯管部位，钢管的壁厚不可避免地会变薄，为确保钢管的强度，必须进行减薄率的计算。1.概述在天然气高压管线施工中，一般都是通过弹性敷设、现场冷弯或热弯弯管来实现管线方向的变化。为了减少沿程的摩阻，提高管道的整体柔性，一般首选弹性敷设。在受地形条件制约的情况下，冷弯弯管不能完成的情况下，可选用热轧弯管。为确保高压燃气管线的弯管壁厚减薄后仍然能保持足够的强度，必须对其进行弯管后壁厚度减薄的计算和定义。现行《油气输送用钢制弯管》在我国天然气行业标准中，要求热轧弯管的最大减厚率不得超过9%。从理论上导出了高压燃气管线的弯管壁厚减薄系数计算公式。2.弯管壁厚减薄率计算模型在弯制过程中，管线的弯折部分会受到压力的影响，如图1所示，弯制后的情况如图2所示，而弯曲段I’—I”截面如图3所示。在弯管时，管内壁受到压力，管壁从一条直线（例如CD）变为一条曲线（例如C'D')，管壁因压缩变短而变得更厚；由于拉力作用，管壁从线性（例如AB）变为圆弧（例如A'B')，管壁因拉长而变薄。管壁变薄会导致其强度下降，为了确保变薄后的管壁仍然具有足够的强度，必须具有一定的管壁厚度，并且在弯曲段内壁的减薄应该是均的。图1弯制前状态图2管道弯制后状态

减薄不变增厚图3Ⅰ'－Ⅰ'断面3.天然气高压管道弯管技术要求①热煨弯管技术要求根据GB50251《输气管道工程设计规范》中的规定,管道弯头的曲率零点五径不能小于外径四倍,并且需要确保清管器和检测装置都可以顺畅使用。而在SY/T5257中,弯角度的定义为:"一个具有曲率零点五径不小于其母管外口径五倍的圆弧管,可以使管道内的介质流动方向发生显著变化。所以,在实际制造中,热轧弯管的曲率零点五径必须为外径的五倍以上。此外,GB50470《油气输送管道线路工程抗震设计规范》中规定，对于需要进行抗震设防的地下管线，不能使用弯管，而采用弹性方式，其弯曲半径不能低于外径1000倍。在需要进行热轧弯管的情况下，其曲率半径不能低于外径6倍。所以，在GB50470颁布之前，高压燃气管线的设计一般都需要5倍于外径的弯曲半径；在GB50470标准中，一般规定采用6倍于外径的弯曲半径。②冷弯弯管技术要求根据GB50251—2003，现场冷弯弯管的最小曲率半径见表1，其中的D表示外直径。公称直径/mm最小曲率半径≤30018D35021D40024D45027D50030D表1现场冷弯弯管的最小曲率半径3.弯管壁厚减薄率计算模型在弯制天然气高压管线时，由于弯管段的受力而发生变形，从而引起相应的变形。在弯管时，管内壁会因压力而发生变形，由原来的直线向圆弧方向发展，管壁会因压缩变短而适当加厚；外部管壁受拉，也会从一条直线变成一条弯曲的曲线，这样就会产生较大的拉力，从而降低管道的强度。而为了确保管线的安全使用，必须在管壁变薄后仍然具有一定的厚度，并且必须达到均匀的厚度，所以必须对弯管后的壁厚减薄进行计算并确定。目前我国天然气工业标准中，仅有SY/T5257《油气输送用钢制弯管》中，对热煨弯管的最大减薄系数要求不超过9%，这一点有一定的限制。4弯管壁厚减薄率计算和分析（1）关于冷弯弯管的壁厚减薄率的估算理论与方法,在冷弯弯管的最大弯曲零点五径为十八倍的前提下,经过测算后确定,冷弯弯管的壁厚减薄率约为百分之二点七。在中国国内现行的高压管道技术标准中,并没有对其作出过严格的要求,仅在《川气东送》技术标准中,曾要求其壁厚的减薄系数不能低于百分之三,但其计算结果均已达到了相应要求。(2)热轧弯管壁厚减薄率的计算分析从弯管工艺要求中可以看出，热煨弯管曲率半径有两种不同的判据，本文将它们分别进行计算和分析。①假设热煨弯管曲率半径是钢管外径的5倍，那么根据有关公式，可以得出管壁厚度减薄率为9%，这与SY/T5257工业标准中规定的规定是相同的，并且与目前国内很多高压管线工程热煨弯管技术规范书中要求的壁厚减薄率一致。②如果热煨弯管的曲率半径是管外直径的6倍，那么根据有关公式，可以得出管壁厚度减薄率为7.7%，这与川气东送有关技术规范中所说的，热煨弯管的壁厚减薄率不得超过8%。5.壁厚减薄率在实际项目中的应用(1)计算冷弯管的壁厚减薄。采用R=40D的冷弯弯管，其壁厚减薄系数为1.23%。对冷弯管的壁厚进行了检查。经检验，冷弯弯管的减薄后壁厚比直管的计算要大，所以选择与直管同样厚度的冷弯弯管。(2)采用热煨弯管壁厚减薄的方法。在热煨弯管内，采用R=5D的弯头，其管壁厚度减薄率为9.09%。热煨弯管的减薄后壁厚度分别为12.97mm和14.44mm，比热煨弯管母管的计算厚度为13.47mm和15.57mm要小，而热煨弯管的母管选择的壁厚度不能满足壁厚减薄的要求，所以必须增加热轧弯管母管的壁厚。对热煨弯管母管的厚度进行了优化，选择了15.88mm和17.48mm的厚度，进行了重新校核，发现热煨弯管的厚度减小了14.44mm，减小了15.89mm，这两种厚度都比热煨弯管的计算值要大。6.考虑壁厚减薄率(1)冷弯管的壁厚减薄对于冷弯管的减薄，我国规范中并没有相应的规定。因此，用理论公式对冷弯管进行了减薄，得出了1.23%的冷弯管。经检验，冷弯管的壁厚比直管的管壁厚大，经检验，冷弯管采用与直管长度相同的管壁厚。(2)通过热煨弯曲管的壁厚减薄。而在SY/T5257中，R=6D的弯头弯头的厚度减薄率为7.7%，而在SY/T5257中，R=6D的弯头半径不超过9%。所以，对热轧弯管的管壁减薄系数按9%计算。通过对热煨弯管板的计算，发现其减薄后的壁厚为10.01毫米，比热煨弯管母管的计算值为10.54毫米，故必须增加热轧弯管母管的壁厚。将热煨弯管母管的壁厚提升至12.7mm，经重新校核，热煨弯管的厚度减小至11.56mm，比热轧管母管的计算壁厚要大，从而使其达到壁厚减薄的要求。结语：通过对该方法的计算和分析，得出了一种适用于天然气高压管线的弯管壁厚度减薄率的计算方法，该方法可靠，可以方便地确定其厚度减薄，并与有关行业标准中已完成的天然气高压管线技术规范相吻合。对高压燃气管线的制造企业，在进行管线制造时，必须严格按照有关的设计要求，严格控制弯曲质量，以确保管线的强度和耐用性，确保管线的使用安全。Reference：[1]赵舒宇.油气管道弯头减薄率计算方法的价值比较[J].价值工程，2012(36