储气库注气管道选用研究

徐敬，石光平，付现桥，卜明哲，刘志田，刘洋，许立娟，李山山

储气库注气管道选用研究

徐敬1，石光平2，付现桥1，卜明哲1，刘志田1，刘洋1，许立娟1，李山山1

（1. 中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北 任丘 062522； 2. 中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京 100091）

为了确保储气库注气管道系统安全可靠，保证生产和安全，结合国内外标准相关要求，从石油天然气行业自身特点系统分析了高压注气管道选择的影响因素。通过本文分析可知采用GB 50350《油气集输设计规范》对储气库注气管道进行选择及校核，符合设计要求。

注气; 管道; 壁厚

随着我国的经济迅速发展，环保意识日益增强，天然气取代煤等燃料的应用日趋增加。以北方民用为例，由于近年雾霾的严重影响下，北方的很多城市强制用清洁的天然气代替煤等燃料。由于天然气的用量受气候、时间段、用户和用量等因素影响存在较大的不均衡性。靠天然气管道和气田调峰手段弱，根本满足不了天然气下游市场的需要。为了满足天然气用户的因时间段造成的不均衡，运营商除利用管道外还应当有其他的储存方法，以便随时调整天然气的输出量以保证用户的需求[1-4]。

地下储气库因储气量大、安全系数高、经济效益好，成为储存天然气的一种好方法。但是由于地下储气库注气压力较大，管道选择成为其重要的影响因素[1-4]。本文以某油田储气库工程为例来对储气库注气管道选择进行介绍。

1 管道壁厚计算

1.1 《油气集输设计规范》管道壁厚计算公式[9]

根据《油气集输设计规范》GB50350-2005第8.1.4条的管道壁厚计算公式进行注气管道壁厚计算[6,9]：

式中：δ —钢管壁厚，mm；

δt—钢管计算壁厚，mm；

P —设计压力，MPa；

D —钢管外径，mm；

S—钢管最低屈服强度，MPa；

F —设计系数（本文储气库注气管道所处地区等级为二级，F值取0.6）；

φ —焊缝系数（取1）；

t —温度折减系数（本文储气库注气管道温度为 20～40 ℃时，t值取1.0）；

C —腐蚀裕量附加值，mm（本工程注气管道腐蚀余量取值均为0 mm）。

1.2 《工艺管道》管道壁厚计算公式[8]

根据ASME B31.3《工艺管道》规定，对于t

式中：C—加工裕量与腐蚀及冲蚀裕量总和（本文取0），mm；

tm—包括各项裕量在内的最小所需厚度，mm；

D —钢管外径，mm；

E —质量系数；

P —内压，MPa；

S —许用应力值，MPa；

W —焊接接头强度降低系数；

Y —见《工艺管道》表304.1.1。

1.3 《输气和配气管道系统》管道壁厚计算公式[11]

根据ASME B31.8《输气和配气管道系统》规定，管道壁厚计算公式为：

式中：t —压力设计的厚度，mm；

T —温度折减系数（本文储气库注气管道温度为 20～40℃时，t值取1.0）；

D —管子外径，mm；

E —质量系数；

P —内压，MPa；

S —许用应力值，MPa；

F —为设计系数（本文储气库注气管道所处地区等级为二级，F值取0.6）。

1.4 管道选择

管道设计压力为30 MPa，管径为D355.6 mm，现对上述管径、压力的管道进行钢级比选，具体见表1。

采用ASME B31.3 《工艺管道》计算方法，在按照设计条件的计算壁厚的情况下，应考虑12.5 %工厂制造偏差，另根据ASME B31.3 《工艺管道》规定，壁厚规格按照ASME B36.10M 选取常用壁厚[5-7]。

采用ASME B31.8 《输气和配气管道系统》（地区设计系数为0.6）计算方法，壁厚规格按照ASME B36.10M 选取常用壁厚[5-7]。

按照GB 50350《油气集输设计规范》（地区设计系数为0.6），并与国内生产厂家沟通选择相应的壁厚。与ASME B31.3《工艺管道》中的计算公式，三种计算方法结果对比见表1。

三种规范的壁厚计算结果不一致，可以看出不同钢级的GB 50350《油气集输设计规范》的计算值与ASME B31.8 《输气和配气管道系统》一样，与ASME B31.3《工艺管道》相比要小很多。由于根据ASME B31.3《工艺管道》不同钢级的许用应力较小，不考虑地区等级，其计算结果较大。根据GB 50350《油气集输设计规范》和ASME B31.8 《输气和配气管道系统》壁厚计算结果一样，但由于国内外管道厂家生产厚度的区别，选取的壁厚有差异[5-7]。

通过比较，并考虑到节省钢材资源、经济、性价比高、方便统一购货等因素，以及国内生产钢管用板、卷的供货情况，同时结合国内其它工程实际应用情况，本储气库注采管道选取：L450无缝钢管D355.6×22.2。

2 管道校核

2.1 直管段强度校核

按照GB 50350《油气集输设计规范》对于埋地管道必须进行当量应力校核。校核结果必须满足下式要求：

式中：σe—当量应力，MPa；

σh—由内压产生的环向应力， MPa；

P —管道设计内压力，MPa；

D —管子外径，mm；

δ —管子壁厚，mm；

σL—管道的轴向应力，拉应力为正，压应力为负，MPa；

μ —泊桑比，取值为0.3；

E —钢材弹性模量，E＝2.05×105MPa;

α —钢材线膨胀系数，α＝1.2×10-5℃-1;

t1—管道连头闭合时温度，10℃；

t2—管道的运行最高设计温度，注气管线40℃；

σs—管子规定的最低屈服强度，MPa。

不同钢管的强度校核结果见表2，其结果显示本工程选取的钢管支管段强度满足要求。

2.2 直管稳定性校核

2.2.1 管线的刚度校核

在钢管正常运输、铺设、埋管等情况下，只有直径与厚度比D/δ＞140时才不会出现钢管圆截面失稳的发生。根据《油气集输设计规范》

GB50350-2005要求，经过计算，本工程用管的直径与厚度比远小于140，因此，钢管不会出现圆截面失稳问题。

2.2.2 管线的径向稳定性校核

在本工程中，管道的直径壁厚比小于140。因此，在正常的运输、铺设、埋管情况下，钢管不存在圆截面失稳问题，满足管道稳定性的要求。但在某些地段管线埋深会较深，在此种情况下，对管线的径向稳定性进行验算[12]。

管道的径向稳定性按无内压状态校核：

式中：ΔX－钢管水平方向最大变形量，m；

D－管子外径，m；

Dm－管子平均直径，m；

Z－管子变形滞后系数（本文取1.5）；

K－基床系数；

E－钢材弹性模量，N/m2；

I－单位管壁截面惯性矩，m4/m；

δn－钢管公称壁厚，m；

Es－土壤变形模量，N/m2。

W－作用在单位管长上的总竖向载荷，N/m。经核算，注气管道在设计埋深及外载荷情况下满足径向稳定要求，计算结果见表3。

2.3 管道的抗震校核计算

根据《油气集输设计规范》GB50350-2005要求，管线在经过地震动峰值加速度大于0.05g地区时，应对管道在地震作用下的强度进行校核，本工程沿线地震动峰值加速度为0.2g，因此需要进行抗震校核[10]。

（1）在地震动作用下埋地直管道所产生的最大轴向应变，按下列公式计算，并取较大值:

式中：εmax—地震波引起的最大管道轴向应变；

α —设计地震动峰值加速度，m/s2，本文取0.2g；

ν —设计地震动峰值速度，m/s，本文取0.25；

νse—场地土层等效剪切波速，m/s，本文取300；

Tg—地震动反应谱特征周期，s，本文取0.45。

（2）工作条件下的管道轴向应变

式中：ε —由于内压和温度变化产生的管道轴向应变；

σ —由于内压和温度变化产生的管道轴向应力，MPa；

σh—由内压产生的管道环向应力，MPa；

p —管道的设计内压力，MPa；

δn—管子公称壁厚；

α —设计地震动峰值加速度（m/s2），取最大值0.20 g；

d —管子内径，mm；

E —钢材的弹性模量，MPa。

t1—管道下沟回填时温度，取施工最低温度0 ℃；

t2—管道的工作温度，取出站最高温度50 ℃。

（3）管道抗震动校核

当εmax+ε≤0时，│εmax+ε│≤[εc]v；

当εmax+εe≥0时，εmax+ε≤[εt]v；

式中：［εt］v，［εc］v—埋地管道抗振动的轴向容许拉伸、压缩应变。

（4）管道抗震的轴向容许应变

设计中，单井管线采用的是L450钢级的管道，所以容许压缩应变可按下式计算：

式中：δ－管道壁厚；

D－管子外径。

设计中所选 L450钢级的钢管最高拉伸强度极限为535MPa＜552MPa，容许拉伸应变［εt］v=1.0%。

（5）计算结果

直管段管道抗震校核计算结果见表4。

通过对本工程不同用管及工作条件的抗震校核，管道通过设计地震动峰值加速度大于或等于0.2g地区，管道的计算应变满足抗震校核设计中的容许应变。

3 结 论

本文根据 GB 50350《油气集输设计规范》、ASME B31.8《输气和配气管道系统》和ASME B31.3《工艺管道》对某储气库注气管道壁厚进行计算比较。由于ASME B31.3计算时不考虑地区等级，许用应力较小，管道厚度计算值偏大。GB 50350和ASME B31.8计算值一样，但由于国内外的制管厂所执行的生产体系等不同，所选择的管道壁厚存在差异，鉴于国内钢管生产现状，本文建议采用 GB 50350标准进行选择储气库注气管道。

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［8］ASME B31.3-2008, Process Piping[S]．

［9］GB 50350-2005, 油气集输设计规范[S].

［10］GB 50470-2008, 油气输送管道线路工程抗震技术规范[S].

［11］ASME B31.8-2010, Gas Transmission and Distribution Piping Sys tems[S].

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Research on Selection of Gas Injection Pipelines of Gas Storage

XV Jing1,SHI Guang-ping2,FU Xian-qiao1,BU Ming-zhe1,LIU Zhi-tian1,LIU Yang1,XV Li-juan1,LI Shan-shan1
（1. China Petroleum Engineering Huabei Company, Hebei Renqiu 062522, China；2. China Petroleum Engineering Beijin Company, Beijing 100091, China）

In order to guarantee safety and reliability of gas injection pipeline for gas storage systems, combined with the standards at home and abroad, based on oil and gas industry's own characteristics, the influence factors of selecting high pressure gas injection pipeline were analyzed. It’s suggested that GB 50350 specification should be recommended for wall thickness calculation of the high pressure gas injection pipeline and the corresponding standards should be recommended for checking.

Gas injection; Pipeline; Wall thickness

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）05-1152-03

2014-12-04

徐敬（1987-），女，工程师，硕士，2012年毕业于中国石油大学（华东），研究方向：长期从事压力容器及压力管道设计。