有的設計人員咨詢浙江至德鋼業有限公司工程師工業管道與輸氣管道的壁厚計算是否可以統一或者互相替代使用?因兩者的壁厚計算具有以下區別,所以肯定是不能混用的。



一、工業管道與輸氣管道直管壁厚計算公式比較


 1. 壁厚計算理論基礎比較


   承受內壓的直管屬于旋轉殼體的一種,旋轉殼體應力分析理論有兩類:一類是忽略彎矩的無力矩理論一-薄膜理論,導出的是壁厚計算的薄膜應力公式,該公式計算的是沿壁厚均勻分布的兩向應力,即軸向應力和周向應力,忽略了徑向應力。另一類是彈性力學應力分析理論一一拉美公式,共三個方向的應力,周向應力和徑向應力沿壁厚非線性分布,軸向應力沿壁厚均勻分布。


   GB 50251《輸氣管道工程設計規范》采用ASME B31.8《輸氣和配氣管道系統》的壁厚計算公式,公式源于無力矩理論的薄膜理論應力公式。GB/T 20801、GB 50316、SH/T 3059等標準采用ASME B31.3《工藝管道》的壁厚計算公式,公式是拉美公式的經驗近似式。輸氣管道壁厚計算公式的理論基礎采用無力矩理論-薄膜理論,而工業管道采用彈性力學應力分析理論-拉美公式。


 2. 安全系數取值方式的比較


   輸氣管道由于需穿越城市、村鎮等,根據管道通過區域的不同條件,采用改變管道應力水平(即改變管道壁厚)以強度確保管道自身的安全,為管道周圍環境提供安全保障(采用不同的強度設計系數F)的理念,同時也體現了管道的經濟成本的合理性。GB50251中規定的強度設計系數F值,一級地區為0.8,四級地區為0.4。強度設計系數F值的規定與取值源自ASME B31.8《輸氣和配氣管道系統》。


   工業管道壁厚計算中,設計溫度下的材料許用應力由材料的力學性能除以相應的安全系數而得,GB/T 20801、GB 50316、SH/T 3059規定的材料安全系數與GB 150中材料安全系數的要求相同。由于工業管道處于有限范圍的工廠環境中,材料的安全系數根據材料的類型和力學性能(強度極限、屈服極限、持久強度、蠕變極限)的不同而取值,按照規范規定選取許用應力值。許用應力值的大小與工業管道所處的環境條件完全無關,在GB/T20801、GB 50316、SH/T 3059等中規定使用應力表中的值,既體現了許用應力所表達的安全強度,又體現了工程設計的經濟合理性。


   輸氣管道和工業管道壁厚計算公式中安全系數的區別,在安全理念和規范內容上存在差異,在設計上是無法統一的。


 3. 鋼管壁厚附加裕量的比較


   輸氣管道在用公式得出計算壁厚之后,圓整到鋼管標準規定的壁厚,一般沒有考慮材料厚度偏差和腐蝕裕量。但是ASME B31.8規定采用該規范所列鋼管,已經考慮了鋼管的壁厚負偏差,并且加了裕量,例如,如采用API5L,則不必再另加厚度負偏差了。


  工業管道的壁厚計算公式中則明確規定了應該考慮厚度減薄附加量C1和腐蝕磨蝕附加量C2。



二、鋼管材料選用的比較


  由于輸氣管道距離長,鋼管用量大,天然氣輸送量大,輸氣管道朝著高壓力、大直徑方向發展,鋼管材料也朝著高強度、微合金的方向發展。與輸氣管道工程相配套的鋼管也有了自成體系的鋼管標準,在國際上得到廣泛應用的鋼管標準是美國標準API5L。該標準的最高鋼級為L830M(PSL2),規定的屈服強度最小值為830 MPa。ISO 3183《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》是在API5L《管線鋼管規范》基礎上編制的。GB/T 9711《石油天然氣工業 管線輸送系統用鋼管》是在ISO 3183標準基礎上修改編制的,該標準得到了廣泛應用。與工業管道用鋼管在技術上有重大區別。GB 50349《氣田集輸設計規范》規定氣田集輸管道用鋼管也是選用GB/T 9711。


  工業管道所屬裝置的管道流體多樣化、設計參數各不相同,工業管道的器材選用尚無自成體系的統一標準,均是使用相應的鋼材和鋼管標準,例如國標鋼管常用標準:GB/T13793《直縫電焊鋼管》,GB/T9948《石油裂化用無縫鋼管》,GB/T 6479《高壓化肥設備用無縫鋼管》,GB/T8163《輸送流體用無縫鋼管》,GB/T3087《低中壓鍋爐用無縫鋼管》,GB/T5310《高壓鍋爐用無縫鋼管》等數十個,工業管道器材選用具體規定與輸氣管道的材料要求是大不一樣的,輸氣管道與工業管道在材料選用及材料標準上均有很大區別。



三、管道沖擊試驗的比較


  輸氣管道(包括輸氣站)一般都在野外,受自然環境(低溫)的影響比較大,輸氣管道用鋼管對低溫沖擊韌性的要求較高,以防止鋼管脆性斷裂擴展和控制延性斷裂擴展。我國對干線和站場用鋼管提出了在API5L的基礎上對鋼管和焊縫進行夏比沖擊試驗的要求,規定其試驗溫度應低于管道通過當地的最低環境溫度,一般取-10℃,-20℃、-30℃,夏比沖擊韌性合格值根據不同鋼級和管徑分別為27J、40J、54J、80J(3個試樣最小平均值)。


  工業管道對管道設計溫度≤-20℃而高于鋼材使用溫度下限的碳素鋼、低合金鋼、中合金鋼和高合金鐵素體鋼,要求進行夏比低溫沖擊試驗,試驗沖擊功合格值根據不同的鋼材分別為18J、20J、27J、31J(3個試樣平均值),GB/T 20801、GB/T 50316、SH/T 3059等標注中均有明確規定。


  輸氣管道與工業管道設計規范對鋼管提出了夏比低溫沖擊試驗的要求,在夏比低溫沖擊試驗的試驗溫度與合格值上差異較大。






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