国内外油气管道线路设计的校核比较.pdf

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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
Journal of Oil and Gas Technology (J. JPI)Aug 2014 Vol 36 No. 8
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国内外油气管道线路设计的校核比较
何祖样(中国石油天然气管道工程有限公司,河北坊0650
志强(中国石油天然气管道局国际事业部,河北愿坊0600
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城更广的国际市场,エ程技术人员所采用的标准规范也逐漸由国家及行
业标准转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カ的校核、轴向稳定性校核以
及公路穿越管段的蝨度校桉,分析这3个校核中国家标准与国外标准或工程实残的计算公式的差异,技术
人员可根据项目需要选用合适的计算模型,用指导计算书及相关设计文件的编制。
关键词]油气管;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)08-0241-04
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。
1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士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,由于管道不能伸绵
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):2,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
应力类别
校核公式
限用值
力,当轴向应カ为压应力(负值)时,计算校核公环向应力m=
≤许用应力
式如表1所示。
轴向成力
。=Fa(山-t2)+oh
未明确
由于公式中符号变量较多,并且均可从相应标
准规范中査阅到,若无特殊说明,文中对符号变量
当量应力
Ce -Oh Oa
≤0.9SMYS
不做详细描述(下同)。
注:“SMYS”表示钢管的最低屈服强度。
根据美国标准《液态烃和其他液体管线输送系
[收稿日期]2014-07-12
[作者简介]何祖祥(1978-),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。
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油氧管道工程
2014年8月
统》( ASME B31.4)和《输气和配气管道系统》(AS.VEB31.8)3?,组合应力的计算校核公式如表2
所示。
表2美标中组合应力校核
校核公式
限用值
应力类别
ASME B31. 4
ASMIE B31. 8
ASME B31. 4 ASME B31. 8
环向应力
≤0.72SMYS末賜确
热膨胀应力
ST=Ea(T1-T2
s-o.9 SMYS
未明确
轴向应力
S=SEF。/A
SL=ST t+0.35R+Z+/A
O 9 SMYS
0. 9 SMYS
组合应力
SL-S:)./22+S
Sr-s
≤0.9SMYS
<<0.9 SMYS
可等同于S.-SH
或者[S?-SSH+S]2
从表1、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F/A、R/A(可以为零)时,表达式基本
一致。另外根据 ASMIE BS1.4中表403.3.1-1,以及 ASME B31.8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,由于管沟側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》(GB350253)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=Lea(T2-t1)+(0.5--h)n]A
式(1)中临界轴向力Na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カ比直管道要小,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标准的中有详细要求。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 Shell DEP31.40.10.16(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
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。
1.16
△hW
pa X
(3
式中:Wq为最小向下力,kg/m;W为带介质的管重,kg/m;か、为轴向应力,kg;h为缺欠高度,m