基于不同标准的收球筒设计壁厚差异分析

马强

（中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

随着天然气行业的快速发展，天然气输气管网的建设与维护越来越受到人们重视。天然气管道采用分管分段施工，在间歇施工时由于密封不严外部杂质可能会掉进管道，影响管道的运行。此外，在输送天然气时由于天然气中携带的杂质沉淀和天然气中硫化氢（H2S）对管壁腐蚀的腐蚀产物会阻塞管道，影响管道正常运行，降低天然气的输气效率。为避免此类现象的产生，需要对现役管道进行定期清理[1-5]。收球筒作为清理管线的主要设备之一，存在因清管器速度失控冲击的安全隐患[11-12]。为了避免清管器速度失控给收球筒带来的冲击破坏，提高收球筒的安全性和可靠性，收球筒的设计与选材显得尤为重要[13-14]。

吕朝旭[15]通过对收球筒的研究现状及应用进行总结，认为传统清管器虽已进行较为深入的研究，然而由于技术的复杂性，智能清管器的研究还处于初期，智能清管器的研究与应用是未来发展的一个重要研究方向。张科[11]从工艺角度出发认为清管器进入到收球筒后，由于收球筒的管径变大，会导致清管器与管壁之间碰撞从而破坏清管器的弹性密封。因此他对长输管道的收球筒工艺进行优化，可有效地提高收球筒的安全性。倪姗姗等[16]通过对西气东输二线的收球筒的位移原因进行分析，结果表明其位移主要原因是设计时选取的土壤压实系数，环境等因素与实际施工时的差异较大。

麻建军等[17]通过研究发现，将收球筒上体与管道连接可有效避免在清管过程中产生的沙砾等杂质在清管器两侧堆积。此方法还可以有效降低泥沙对球阀的损伤，从而降低阀门内漏的。谢焜等[18]也对收球筒的工艺进行优化并给出施工和运行过程中注意事项，最后给出了收球筒运行和维护过程中重要的措施。陈文华等[19]通过“二次收球”工艺与“一次收球工艺”进行对比，认为“二次收球”工艺可有效改善收球筒附属结构的损伤，提高其安全性。王世斌等[20]概述了收球筒的结构和功能并对比了不同设计标准对收球筒的成本及管理成本，指出管道设计规范比另外两种规范更节约管理和制造成本。郭昱等[21]详细对比了GB 50251 与ASME B31.8 中设计规范不同之处，表明ASME 设计标准比GB 50251 设计更为严格，新版GB 50251 比前两版中严密性和强度试验的保守性均有所降低。此外，还有部分学者探究了法兰对大开孔补强影响[23]及T 型异径三通的强度进行分析[24]。

综上，通过文献调研发现研究学者只针对清管器或收球筒的工艺进行优化及问题分析，尚未对不同标准下收球筒设计壁厚差异进行分析。因此，本文基于GB/T 150[25]以及GB 50251[26]两种设计标准对收球筒设计壁厚差异进行对比分析，其结果为收球筒设计标准的选择和壁厚差异分析提供理论支撑。

1 设计方法及原则

1.1 设计概况

本文以某实际项目为依托，探究了收球筒设计壁厚的影响。收球筒基本概况如表 1 所示。

表1 收球筒概况Table 1 Overview of receiving ball tube

收球筒主要由主管、锥段、直管、快开盲板及其附件组成。其中收球筒开口主要包括压力表嘴、放空口、注水注氮口、出气口、压力平衡口、排污口等开口，具体开口分布如图 1 所示。

图1 收球筒示意图Fig.1 Schematic diagram of receiving ball tube

收球筒各个接口由于作用不同，因此管线内径也不尽相同，对应的管线的数量、连接形式及规格等参数具体如表 2 所示。

表2 收球筒接口表Table 2 Receiving ball tube interface table

1.2 GB 50251—2015 [24]设计方法

式中 δ——钢管计算壁厚，mm；

P——设计压力，MPa；

D——钢管外径，mm；

σs——钢管标准规定的最小屈服强度，MPa；

φ——焊缝系数；

F—— 强度设计系数，根据《输气管道工程设

计规范》GB 50251—2015[24]选取，

t—— 温度折减系数，当温度小于120℃时，t值应取1.0。

1.3 GB/T 150—2011 [23]设计方法

式中 Di——圆筒的内直径，mm；

pc——计算压力，MPa；

δ——圆筒或球壳的计算厚度，mm；

[σ]t—— 设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力（按GB/T 150.2），MPa；

φ——焊接接头系数。圆筒计算应力如下：

式中 σt—— 设计温度下圆筒或球壳的计算应力，MPa；

[σ]t—— 设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力（按GB/T 150.2），MPa；

φ——焊接接头系数；

δe——圆筒有效厚度，mm。

1.4 补强结构计算

根据GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》中规定，对于三通或者支管在主管上开孔时或与支管相连接时，其开孔削弱部分可按照等面积补强原理进行补强。在设计过程中，两种标准开孔补强采取同一设计规范（GB 50251—2015），其补强公式如下：

式中 A1—— 在有效补强区内，主管承受内压所需设计壁厚外的多余厚度形成的面积，mm2；

A2—— 在有效补强区内，支管承受内压所需最小壁厚外的多余厚度形成的截面积，mm2；

A3—— 在有效补强区内，另加的补强元件的面积，包括这个区内的焊缝截面积，mm2；

AR—— 主管开孔削弱所需要补强的面积，mm2；

di——支管内径，mm；

δn——与主管连接的支管管壁厚度，mm；

δn'——主管的实际厚度，mm；

δb——与支管连接的支管管壁厚度，mm；

δn'——支管实际厚度，mm。

对于实际设计过程中，采用等面积补强法进行设计，即当实际补强面积大于或等于计算补强面积时设计合格。本文收球筒壁厚设计时腐蚀余量为2 mm，主管材料采用Q345R，支管材料采用16Mn。

2 设计结果及对比分析

收球筒设计不仅包括主筒体厚度设计，同时还要考虑筒体上支管的设计。为了更为直观地对比GB 50251 及GB/T 150 两种标准对主筒体及不同支管设计厚度的影响，选取出气口、注水注氮口、放空口、排污口以及压力表管嘴5 种不同规格的支管形式进行对比。两种不同标准在不同主管壁厚选取条件下的壁厚如表 3 所示。

从表 3 中可以看出，采用两种标准进行设计时GB/T 150 满足要求的主管最小厚度小于在相同设计条件下GB 50251 设计厚度；当采用同一标准（GB/T 150）时，主管设计壁厚取值越大支管设计壁厚越薄。这是由于采用等面积补强时，当主管设计壁厚越大时主管所提供的补强面积越大，所以支管所需要提供的面积减小，因此支管设计厚度较小。当采用两种标准（GB/T 150 和GB 50251）对相同主管壁厚进行设计时，GB/T 150 设计支管壁厚小于GB 50251 标准下设计支管壁厚。由此可见，无论是对主管壁厚还是支管壁厚进行设计，GB 50251 设计壁厚均大于GB/T 150 设计壁厚，设计较为保守。

表3 不同标准下主管及支管设计壁厚Table 3 Design wall thickness of main pipe and branch pipe under different standards

为排除个例影响，探究了同一标准下不同主管壁厚对支管设计壁厚的影响，结果如图 2 及图 3 所示。

由图 2 和图 3 可知，无论是基于GB/T 150 还是GB 50251 标准，随着主管壁厚的增加支管厚度逐渐减小，即主管设计壁厚与支管设计壁厚成反比例关系。因此，在进行主管和支管壁厚设计时，应综合考虑主管和支管壁厚以确保两者均处于安全范围内。根据设计经验，支管比主管设计壁厚值不应大于2，通常在1.4～1.6 mm 之间为宜，若两者之间壁厚差异过大则对加工制造以及组装焊接不利。此外，为消除安装、焊接过程中产生的不安全因素，通常在确定支管壁厚时适当增加支管壁厚以增加20%的补强面积，确保设计质量。

图2 基于GB/T 150 支管设计壁厚随主管设计壁厚变化结果Fig.2 Based on GB/T 150 branch pipe design wall thickness change with main pipe design wall thickness

图3 基于GB 50251 支管设计壁厚随主管设计壁厚变化情况Fig.3 Based on GB 50251 branch pipe design wall thickness changes with main pipe design wall thickness

由图 2 可知，基于GB/T 150 标准主管设计壁厚的增加，对内径较大的支管的设计壁厚影响更为明显，并且随着支管内径的增加，主管设计壁厚对支管壁厚的影响程度逐渐减小。由图 3 可知GB 50251标准设计的支管壁厚与GB/T 150 设计的支管壁厚呈现相同趋势，即主管设计壁厚对内径较大的支管设计壁厚的影响较小而对内径较小的支管设计壁厚影响较大，有所不同的是随着主管壁厚的增加基于GB 50251 支管设计壁厚比GB/T 150 支管设计壁厚变化程度较小。通过对比可知，GB 50251 比GB/T 150 对支管设计壁厚的安全余量较大，相应安全系数较高。

为了更为直观地对比在相同主管设计壁厚时，不同设计标准对支管厚度的影响。探究了下三种主管设计壁厚（30 mm、35 mm、40 mm）时（设计系数为0.4），两种标准对支管设计壁厚的影响。结果如图4 所示。

由图 4 可知，当主管设计壁厚一定时，基于GB/T 150 设计标准设计的支管壁厚均小于基于GB 50251设计标准设计的支管壁厚。

由图 5 可知，在设计系数为0.4 时，随着主管设计壁厚的增加，基于GB 50251 设计的支管壁厚比GB/T 150 设计的支管厚度增加百分比几乎呈直线增加，由此再次验证基于GB 50251 设计壁厚更为保守，设计安全余量更大。

图4 两种标准下相同主管设计壁厚对支管设计壁厚影响Fig.4 The influence of the same main pipe design wall thickness on the branch pipe design wall thickness under the two standards

图5 相同主管设计壁厚时GB 50251 比GB/T 150 设计支管厚度增加程度Fig.5 The increase in thickness of GB 50251 compared to GB/ T 150 design branch pipe with the same main pipe design wall thickness

由于收球筒通常设置在四级地区内，即处于四层及四层以上楼房普遍集中、交通频繁、地下设施多的区段，因此以上分析均基于四级地区选取的设计系数（F=0.4）。如果收球筒设置在三级地区（户数在100 或以上区段，包括市郊居住区、商业区、工业区规划发展区以及不够四级地区条件的人口稠密区）、二级地区（户数在15 ～ 100 的区段）那么，设计系数F 将增加到0.5 ～ 0.6，为了探究地区选择或设计系数对收球筒支管设计壁厚的影响，对设计系数分别为0.4、0.5、0.6（GB 50251）情况进行对比，并对比了不同设计系数下GB 50251 设计壁厚和GB/T 150 设计壁厚差异，结果如图 6 所示。

图6 设计系数对支管设计壁厚影响结果Fig.6 The influence of design coefficient on the design wall thickness of branch pipe

由于GB/T 150 标准中不存在设计系数，所以只针对GB 50251 标准中计设计系数进行改变。通过图 6a 可以看出，当设计系数从0.4 提高到0.6，此时GB 50251 算出的出气口壁厚逐渐低于GB/T 150 计算出的出气口壁厚。而对于内径相对较小的排污口（图6b）随着设计系数增加，设计壁厚逐渐接近GB/T 150 设计壁厚，当设计系数增加到0.6 时，GB 50251设计壁厚比GB/T 150 设计壁厚薄，证明设计系数也是影响设计壁厚的重要原因。通过对比图 6a 和图 6b可知，设计系数对内径较大的支管壁厚影响较大，而对内径较小的支管壁厚影响较小。

基于以上分析，建议在选取设计壁厚时明确设计系数，综合考虑主管及支管设计壁厚。GB/T 150未对不同地区、不同的设计系数进行考虑，缺乏外部因素考虑。因此GB 50251 对于收球筒设计更为合理，建议采用GB 50251 对收球筒进行设计。

3 设计标准对制造检验的影响

根据GB/T 150 以及GB 50251 进行收球筒设计均应符合《压力容器》标准或ASME VIII 进行制造检验，并且要求具有压力容器资质的单位进行制造。对于水压试验，在GB 50253《输油管道设计规范》的旧版本中规定，收球筒应同管线一起进行试压。但之后在2014 版中将这一规定删除，但目前部分项目仍根据这一要求进行检验。GB 50251 中规定清管设施的水压试验也应与管道一同进行，试压压力为设计压力的1.5 倍。

在GB/T 150 中规定收球筒强度试验压力应为设计压力的1.5 倍，若同样和管道一起试压会导致在试压过程中所产生的环向应力大于0.9 倍的屈服强度。就此而言，建议尽可能选用压力管道工程设计规范进行收球筒的设计，这样收球筒能与长输管道保持更好的一致性。此外，若采用GB/T 150 进行设计，应使用对应的安全技术法规和专业的工程技术人员进行日常的操作、维护和检查。此要求远高于管道工程设计规范，因此增加了使用单位的日常维护成本。综上，建议尽量采用GB 50251 进行收球筒的设计，既能保证管线的安全性又能节约人员和管理成本。

4 结论

研究不同设计标准对收球筒设计壁厚的差异，结果表明：

（1）就一般地区而言（四级地区）相同设计条件下，GB 50251 比GB/T 150 设计壁厚较大，安全裕量更大；主管设计壁厚与支管的设计壁厚呈反比关系，并且随着主管设计壁厚的增加GB/T 150 设计对支管厚度比GB 50251 设计支管壁厚的影响更大；

（2）设计系数是影响两个标准对设计壁厚的关键参数，并且设计系数对内径较大的支管壁厚影响更为明显；由于GB/T 150 对收球筒设计时缺少对外部环境因素的考虑，而GB 50251 既能满足收球筒安全设计的要求，同时又能节约运行及管理成本。因此，建议采用GB 50251 对收球筒进行设计。