4.0MPa燃气输配系统中的管道选材分析

□文/王 健 罗丽娜

4.0MPa燃气输配系统中的管道选材分析

□文/王 健 罗丽娜

通过计算、校核及经济比选、规范要求和焊接难度，得出4.0 MPa燃气输配系统所用管材较经济的壁厚及材质组合。

4.0 MPa；管材；壁厚；燃气；输配系统

随着天津城市建设的快速发展及“十二·五”期间节能减排形势的日益严峻，大批高耗能企业及燃煤锅炉房都将改造使用天然气这种优质能源，用气量的大幅增加需要天津市新建燃气管网设计压力提升到城镇燃气最高压力4.0 MPa，如何保证管材的选用安全、经济成为现阶段工程建设面临的一大课题。

1 制管标准的选取

根据GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》规定，压力＞1.6 MPa室外燃气管道选用的钢管应符合GB/9711.1—1997《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第 1部分：A级钢管》(L175级钢管除外)、GB/T 9711.2—1999《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第2部分：B级钢管》和GB/T 8163—1999《输送流体用无缝钢管》的规定或符合不低于上述3项标准相应技术要求的其他钢管标准。三级和四级地区高压燃气管道材料钢级不应低于L245。因B级钢管质量要求严于A级钢管（如韧性、无损检测、壁厚公差等）并考虑使用区域为千万人口的超大城市，为保证安全选用B级钢管。钢级L245的B级钢管与20#无缝钢管的最小屈服强度均为245 MPa，为便于采购、焊接，故在4.0 MPa系统中统一采用B级钢管。

2 工艺计算与校核

天津4.0 MPa燃气输配系统中干线管径主要为DN700 mm、DN800 mm、DN1 000 mm，本文只对这 3 种管径进行分析计算。

2.1 直管段壁厚计算

直管段壁厚按式（1）计算：

式中：δ为钢管计算壁厚，mm；P为设计压力，4.0 MPa；D为管道外径，mm；σs为钢管最低屈服强度，MPa；φ为焊缝系数，取1；F为强度设计系数，天津主要为三级（取0.4）和四级地区（取 0.3）。

式（1）的结算结果见表1和表2。

表1 用于三级地区钢管壁厚计算结果 mm

表2 用于四级地区钢管壁厚计算结果 mm

计算结果中的所有壁厚均大于规范要求的最小壁厚。如采用L245钢级，因计算壁厚较大，不利于焊接、运输且内径小，降低了流通能力，故排除此钢级。GB 50028—2006第6.4.12、6.4.15条规定，三级地区钢管管径≥11.9 mm、四级地区钢管管径≥9.5 mm时，燃气管道与建筑物的水平净距分别可缩短到8 m和15 m，为减少拆迁量并为今后城市建设预留空间，主干线管道壁厚统一要求≥11.9 mm。根据上述原因，结合B级钢管壁厚分级，壁厚及钢级初选结果见表3和表4。

表3 用于三级地区钢管的选用壁厚 mm

表4 用于四级地区钢管的选用壁厚 mm

2.2 直管段径向稳定性校核

按照GB 50251—2003《输气管道工程设计规范》第5.1.4条校核：

式中：Δx为钢管水平方向最大变形量，m；Dm为钢管平均直径，m；W为作用在单位管长上的总竖向荷载，N/m；W1为单位管长的竖向永久荷载，N/m；W2为地面可变荷载传递到管道上的荷载，N/m；Z为钢管变形滞后系数，取1.5；K为基床系数，取0.085；E为钢材弹性模量，取 2.05×1011，N/m2；I为单位管长截面惯性矩 m4/m；ES为土壤变形模量，取4.8 MN/m2。

式（2）～（5）的计算结果见表 5。

表5 径向稳定性校核结果（均取最小壁厚） mm

由表 5可看出，DN1 000 mm、壁厚为 12.5 mm时，不满足径向稳定性要求，其他壁厚均满足要求。

2.3 当量应力校核

按照GB 50251—2003规定，埋地管道需进行管道应力校核：

式中：бe为当量应力，MPa；бh为由内压产生的环向应力，MPa；бa为轴向应力，MPa；E为钢材的弹性模量，2.05×105MPa；α为钢材线膨胀系数，12×10-6/℃；μ为泊桑比，取0.3；P为设计压力，4.0 MPa；d为管道内径，cm；δ为管道壁厚，cm；бs为管材最小屈服强度,MPa；t1为管道下沟回填时温度，取15℃；t2为管道的工作温度，取20℃。

式（6）～（8）的计算结果见表 6。

表6 当量应力校核结果（取最小壁厚及最小屈服强度）

由表6可看出，当量应力均＜0.9σs，满足要求。

3 经济比选

经上述计算，确定用于三级地区钢管的钢级及壁厚可按表7选取，不再进行经济比选。

表7 用于三级地区钢管的选用壁厚 mm

用于四级地区钢管经济比较见表8-表10。

表8 DN700 mm管道经济比较

表9 DN800 mm管道经济比较

表10 DN1 000 mm管道经济比较

经比较，用于四级地区的钢管采用下述规格费用（仅为材料费）最少。DN700 mm管道采用φ711 mm×12.5 mm，材质 L415；DN800 mm 管道采用φ813 mm×12.5 mm，材质 L450；DN1 000 mm管道采用φ1 016 mm×14.2 mm，材质 L485。

4 结语

通过计算、校核、经济比选，兼考虑了规范要求和焊接难度，得出较经济的壁厚及材质组合。在实际工程中，还需考虑采购、市场价格波动及自身施工技术水平。

□罗丽娜/天津市建设发展总公司。

TU996.7+2

C

1008-3197（2012）03-66-02

2012-02-08

王 健/男，1980年出生，工程师，天津市燃气热力规划设计院，从事燃气管网规划设计工作。