有的设计人员咨询浙江至德钢业有限公司工程师工业管道与输气管道的壁厚计算是否可以统一或者互相替代使用?因两者的壁厚计算具有以下区别,所以肯定是不能混用的。



一、工业管道与输气管道直管壁厚计算公式比较


 1. 壁厚计算理论基础比较


   承受内压的直管属于旋转壳体的一种,旋转壳体应力分析理论有两类:一类是忽略弯矩的无力矩理论一-薄膜理论,导出的是壁厚计算的薄膜应力公式,该公式计算的是沿壁厚均匀分布的两向应力,即轴向应力和周向应力,忽略了径向应力。另一类是弹性力学应力分析理论一一拉美公式,共三个方向的应力,周向应力和径向应力沿壁厚非线性分布,轴向应力沿壁厚均匀分布。


   GB 50251《输气管道工程设计规范》采用ASME B31.8《输气和配气管道系统》的壁厚计算公式,公式源于无力矩理论的薄膜理论应力公式。GB/T 20801、GB 50316、SH/T 3059等标准采用ASME B31.3《工艺管道》的壁厚计算公式,公式是拉美公式的经验近似式。输气管道壁厚计算公式的理论基础采用无力矩理论-薄膜理论,而工业管道采用弹性力学应力分析理论-拉美公式。


 2. 安全系数取值方式的比较


   输气管道由于需穿越城市、村镇等,根据管道通过区域的不同条件,采用改变管道应力水平(即改变管道壁厚)以强度确保管道自身的安全,为管道周围环境提供安全保障(采用不同的强度设计系数F)的理念,同时也体现了管道的经济成本的合理性。GB50251中规定的强度设计系数F值,一级地区为0.8,四级地区为0.4。强度设计系数F值的规定与取值源自ASME B31.8《输气和配气管道系统》。


   工业管道壁厚计算中,设计温度下的材料许用应力由材料的力学性能除以相应的安全系数而得,GB/T 20801、GB 50316、SH/T 3059规定的材料安全系数与GB 150中材料安全系数的要求相同。由于工业管道处于有限范围的工厂环境中,材料的安全系数根据材料的类型和力学性能(强度极限、屈服极限、持久强度、蠕变极限)的不同而取值,按照规范规定选取许用应力值。许用应力值的大小与工业管道所处的环境条件完全无关,在GB/T20801、GB 50316、SH/T 3059等中规定使用应力表中的值,既体现了许用应力所表达的安全强度,又体现了工程设计的经济合理性。


   输气管道和工业管道壁厚计算公式中安全系数的区别,在安全理念和规范内容上存在差异,在设计上是无法统一的。


 3. 钢管壁厚附加裕量的比较


   输气管道在用公式得出计算壁厚之后,圆整到钢管标准规定的壁厚,一般没有考虑材料厚度偏差和腐蚀裕量。但是ASME B31.8规定采用该规范所列钢管,已经考虑了钢管的壁厚负偏差,并且加了裕量,例如,如采用API5L,则不必再另加厚度负偏差了。


  工业管道的壁厚计算公式中则明确规定了应该考虑厚度减薄附加量C1和腐蚀磨蚀附加量C2



二、钢管材料选用的比较


  由于输气管道距离长,钢管用量大,天然气输送量大,输气管道朝着高压力、大直径方向发展,钢管材料也朝着高强度、微合金的方向发展。与输气管道工程相配套的钢管也有了自成体系的钢管标准,在国际上得到广泛应用的钢管标准是美国标准API5L。该标准的最高钢级为L830M(PSL2),规定的屈服强度最小值为830 MPa。ISO 3183《石油天然气工业管线输送系统用钢管》是在API5L《管线钢管规范》基础上编制的。GB/T 9711《石油天然气工业 管线输送系统用钢管》是在ISO 3183标准基础上修改编制的,该标准得到了广泛应用。与工业管道用钢管在技术上有重大区别。GB 50349《气田集输设计规范》规定气田集输管道用钢管也是选用GB/T 9711。


  工业管道所属装置的管道流体多样化、设计参数各不相同,工业管道的器材选用尚无自成体系的统一标准,均是使用相应的钢材和钢管标准,例如国标钢管常用标准:GB/T13793《直缝电焊钢管》,GB/T9948《石油裂化用无缝钢管》,GB/T 6479《高压化肥设备用无缝钢管》,GB/T8163《输送流体用无缝钢管》,GB/T3087《低中压锅炉用无缝钢管》,GB/T5310《高压锅炉用无缝钢管》等数十个,工业管道器材选用具体规定与输气管道的材料要求是大不一样的,输气管道与工业管道在材料选用及材料标准上均有很大区别。



三、管道冲击试验的比较


  输气管道(包括输气站)一般都在野外,受自然环境(低温)的影响比较大,输气管道用钢管对低温冲击韧性的要求较高,以防止钢管脆性断裂扩展和控制延性断裂扩展。我国对干线和站场用钢管提出了在API5L的基础上对钢管和焊缝进行夏比冲击试验的要求,规定其试验温度应低于管道通过当地的最低环境温度,一般取-10℃,-20℃、-30℃,夏比冲击韧性合格值根据不同钢级和管径分别为27J、40J、54J、80J(3个试样最小平均值)。


  工业管道对管道设计温度≤-20℃而高于钢材使用温度下限的碳素钢、低合金钢、中合金钢和高合金铁素体钢,要求进行夏比低温冲击试验,试验冲击功合格值根据不同的钢材分别为18J、20J、27J、31J(3个试样平均值),GB/T 20801、GB/T 50316、SH/T 3059等标注中均有明确规定。


  输气管道与工业管道设计规范对钢管提出了夏比低温冲击试验的要求,在夏比低温冲击试验的试验温度与合格值上差异较大。






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