油氣管道線路工程方案設計實例

趙鑫

摘要：本文以埕海油氣集輸系統工程為例，從線路用管、管道壁厚設計、管道強度和穩定性校核幾個方面介紹了油氣管道線路工程設計思路。

關鍵詞：線路工程設計壁厚強度穩定性

中圖分類號：S611文獻標識碼： A

1、工程概況

大港埕海油田埕港輸油輸氣管線起點為埕海1-1人工島，輸油管線終點為大港油田公司原油儲運庫，輸氣管線終點為大港輸氣首站。管道全線包括5座站場、1座截斷閥室和2座收發球筒區，其中輸油管線站場分別為：埕海1-1人工島、莊一聯合站、埕海聯合站和大港油田公司原油儲運庫，全長約 48.4km；輸氣管線站場分別為：埕海1-1人工島、埕海聯合站和大港輸氣首站，全長約 51.7km。

2、線路用管

用于輸送流體的鋼管主要有無縫鋼管、直縫埋弧焊鋼管、直縫電阻焊鋼管以及螺旋縫埋弧焊鋼管等。以下為幾種鋼管的優缺點對比：

2.1螺旋縫埋弧焊鋼管

螺旋縫埋弧焊鋼管具有受力條件好，止裂能力強，剛度大，價格便宜等優點，但因其焊縫較長，出現缺陷的概率要高于直縫管；在制作過程中，焊縫呈一條空間螺旋線，焊縫質量不如直縫管容易控制；國內外螺旋縫鋼管一般均不擴徑，從而在管材內部存在殘余應力，使得鋼管在使用時，易產生應力腐蝕。我國目前能夠生產219 1420、壁厚4mm17.5mm之間的系列螺旋縫埋弧焊鋼管。

2.2直縫埋弧焊鋼管

直縫埋弧焊鋼管因其焊縫長度短，出現質量問題的概率小。直縫埋弧焊鋼管中的UOE鋼管成型過程和焊接過程分開進行，從而使焊縫質量可靠性強，焊后鋼管通常要進行擴徑，這就基本消除了管材內部的殘余應力，提高了鋼管的強度和韌性指標，此外鋼管幾何尺寸嚴格穩定，切割后易組裝，彎制成彎管時，焊縫放在彎曲中性面上，焊縫受力小，便于加工彎頭、彎管，而且防腐層質量容易保證，價格要明顯高于螺旋縫鋼管。

2.3無縫鋼管

無縫鋼管是通過冷拔（軋）或熱扎制成的不帶焊縫的鋼管，冷拔（軋）管管徑為5200，壁厚為0.2514mm。熱軋管管徑為32630，壁厚為2.575mm。管道工程中，管徑超過57的管道常選用熱軋無縫鋼管,無縫鋼管與螺旋縫鋼管和直縫電阻焊鋼管比較，具有橢圓度大、壁厚偏差大、生產成本高和單根管長度短等不利點。優點是內壁光滑、承壓高，外防腐層質量易于保證。

2.4直縫電阻焊鋼管

直縫電阻焊鋼管是通過電阻焊接或電感應焊接形成的鋼管，焊縫一般較窄，余高小，較螺旋縫鋼管焊縫處防腐層減薄量小。在小口徑管線上應用比較廣泛，具有焊縫平滑，外形尺寸精度高、防腐層質量容易保證等優點。缺點是因焊接的特殊性，易產生未焊透等缺陷。

對于大直徑的石油長輸管道，常用直縫埋弧焊鋼管和螺旋縫埋弧焊鋼管。無縫鋼管和直縫電阻焊鋼管生產的直徑比較小，一般用于公稱直徑小于500mm的管道。對于本工程輸氣管道設計壓力為2.5MPa和4.0MPa，管徑為Φ323.9mm、Φ406.4mm和Φ508mm，輸油管線設計壓力為4.0MPa，工藝管線管徑為Φ273.1mm和Φ323.9mm，保護管管徑為Φ406.4mm和Φ457mm，國產直縫電阻焊鋼管和螺旋縫埋弧焊鋼管在技術及制管質量上均能滿足要求，且二者價格相差無幾，鑒于本工程工期要求，推薦輸油輸氣管線均采用直縫電阻焊鋼管。

3、管線壁厚計算

3.1輸油管線壁厚

（1）埕海1-1島進海路末端至埕海聯合站輸油管線

管線管徑為φ323.9，根據計算可知該段管線最大總壓力損失為256m，因此設計壓力定為4.0MPa，由于管線沿線多途經鹽池、蝦池、泄洪區以及河流等沿海地區，自然條件十分復雜，因此管線設計系數選取0.6 ，并根據《輸油管道工程設計規范》(GB50253-2003)壁厚計算公式計算可得該管徑的理論壁厚為3.72mm，考慮管線途經沿海地區土壤腐蝕性比較強，因此管線腐蝕余量按3mm考慮，管線計算壁厚為6.72，因此選擇φ323.9x7.1滿足設計要求。

（2）埕海聯合站至大港油田公司原油儲運庫輸油管線

管線管徑為φ323.9，經計算可知管線最大總壓力損失為323m，所以設計壓力定為4.0MPa，由于管線沿線多途經鹽池、蝦池、泄洪區以及河流等沿海地區，自然條件十分復雜，因此管線設計系數選取0.6 ，并根據《輸油管道工程設計規范》(GB50253-2003)壁厚計算公式計算可得該管徑的理論壁厚為3.72mm，考慮管線途經沿海地區土壤腐蝕性比較強，同時由于埕海4-1平臺原油酸值較高，因此管線腐蝕余量按3mm考慮，管線計算壁厚為6.72，因此選擇φ323.9x7.1滿足設計要求。

3.2輸氣管線壁厚計算

按《輸氣管道工程設計規范》（GB50251-2003），管道壁厚計算公式為：

δ=P·D/（2σSφFt）

式中：δ—鋼管計算壁厚（cm）；P—設計壓力（MPa）；D—鋼管外徑（cm）；σS—鋼管的最小屈服強度（MPa）；F—強度設計系數，一級地區取0.72，二級地區取0.6，三級地區取0.5；φ—焊縫系數，取1.0；t—溫度折減系數，取1.0。

根據管線工藝參數計算，設計壁厚選取7.1mm。

4、管道強度和穩定性校核

4.1管道的強度校核

受約束的埋地直管段由內壓和溫度引起的軸向應力按下式計算：

σL = Eα(t1－t2) +μσh

σh =Pd/2δn

按最大剪應力強度理論計算的當量應力σE應符合下式要求：

σE=σh－σL＜0.9σs

式中：σL - 管道軸向應力，拉應力為正，壓應力為負，MPa；μ - 泊桑比，宜取0.3；σh - 由內壓力產生的管道環向應力，MPa；P - 管道設計內壓力，MPa；d - 管子內徑，cm；δn - 管子公稱壁厚，cm；E - 鋼材的彈性模量，MPa；取2.06×105MPa；α- 鋼材的線膨脹系數，℃-1；取1.2×10-5℃-1；t1 - 管道下溝回填時溫度，取10℃；t2 - 管道的工作溫度，℃；氣管線取20℃ ，油管線取60℃；σs - 管材的最低屈服強度，MPa。

4.2管道的剛性

根據國內外的研究結果，一般認為只有當管子直徑與厚度比D/δ>140時，才會在管子正常運輸、鋪設、埋管情況下出現圓截面失穩。經過計算，本工程用管的直徑與厚度比遠小于140，因此，鋼管不會出現圓截面失穩問題。

4.3徑向穩定性

根據《輸氣管道工程設計規范》(GB50251－2003)要求，對穿越公路的無套管管段、穿越用的套管及埋深較大的管段，均應按無內壓狀態驗算在外力作用下管子的變形，驗算公式：

Δx≤0.03D

Δx=ZKWDm3/(8EI+0.061EsDm3)

W=W1+W2

I=δn3/12

其中：Δx－鋼管水平方向最大變形量，m；D－管子外徑；Dm－管子平均直徑； Z－管子變形滯后系數，取1.5； K～～基床系數，取0.108；E－鋼材彈性模量，2.06×1011N/m2；I－單位管壁截面慣性矩，m4/m；δn－鋼管公稱壁厚，0.0071m Es－土壤變形模量，1.0×106N/m2； W－作用在單位管長上的總豎向載荷，N/m；W1－單位管長上豎向永久荷載，N/m；W2－地面可變荷載傳遞到管道上的荷載，N/m；H－管頂回填土高度,1.80m；γsoil－土壤容重,18kN/m3。

經計算，在管道設計埋深及外載荷情況下，所用鋼管徑向變形均不大于3％，滿足徑向穩定要求。根據《輸氣管道工程設計規范》（GB50251-2003）規定進行核算，管道滿足軸向應力和當量應力校核，根據《輸油（氣）埋地鋼質管道抗震設計規范》（SY/T0450-2004）進行核算，管線滿足地震裂度7度時的抗震要求。