再論高壓大口徑管件的設計計算方法

張有渝　熊　皓　傅賀平

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司,　四川　成都　610041

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再論高壓大口徑管件的設計計算方法

張有渝熊皓傅賀平

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司,四川成都610041

中國天然氣長輸管道工程閥室和站場用國產高壓大口徑管件,由于采用數學分析法導致大壁厚管件質量難于得到保證,而進口管件采用驗證試驗法計算得到的壁厚較小,不存在管件制造裝備和制造工藝上的難題,管件質量和安全性得到了保證。通過工程實例中進口與國產管件的對比,說明應采用驗證試驗法進行管件設計計算,提出采用驗證試驗法需依據的標準應以國外標準為宜,并論述了采用管件驗證試驗法計算壁厚的相關技術問題,包括規范結構型式與尺寸，和規定制造工藝規范。

管件；工程實例；設計計算；驗證試驗法

0　前言

自西氣東輸管道工程建設以來,中國天然氣高壓大口徑長輸管道得到了迅速發展,管道設計壓力已經達到12 MPa,管徑從DN 1 000(Φ 1 016 mm)加大到DN 1 400(Φ 1 420 mm),干線鋼管材質普遍采用X 80。雖然干線管道的鋼管制造、施工組焊技術得到較好的發展[1-5],但干線管道閥室、站場上大量使用的管件,特別是三通、彎頭的制造工藝、裝備和質量問題卻長期未能得到解決。這主要是由于管件在內壓作用下的應力分布較復雜,非均勻分布[6-7],與壓力容器圓柱殼的薄膜理論[8-9]完全不同,因此管件的計算在規范上就規定了兩種設計方法。目前我國在管件的設計計算方法上,仍在采用與高壓大口徑長輸管道不相匹配的，相對保守的數學分析法,導致高壓大口徑管件壁厚特別大。目前中國管件制造公司的裝備和工藝無法保證管件質量,但是這個問題在國外高壓大口徑管件的設計計算和制造上卻已經得到了很好的解決,這就是放棄管件計算的數學分析法,采用驗證試驗法進行管件的設計計算。筆者曾就此問題進行過專門論述[10]。但是據了解，管件的設計計算方法并未得到很好的改變,因此高壓大口徑管件，特別是拔制三通的質量尚有待進一步提高。現就此相關問題作進一步的探討。

1　工程實例對比

在某長輸管道工程中,曾經進口了國外某管件公司設計和制造的高壓大口徑管件,采用的技術標準為當時的美國管件標準MSS SP-75-1998 《優質鋼制對焊管件技術規范》[11],管件材質為該標準規定的管件鋼WPHY 70和WPHY 60,管件設計計算方法為驗證試驗法,當時主要進口的是三通、彎頭。部分進口三通和彎頭的設計參數、規格、壁厚與材質分別見表1和表2。

為了便于對比由于管件設計計算方法的不同所導致的管件壁厚差異,現將國內某長輸管道工程用國產管件中部分規格的三通和彎頭的規格、壁厚與材質分別列于表3和表4。管件設計執行的標準是該工程的技術規格書和MSS SP-75-1998 《優質鋼制對焊管件技術規范》[11],管件材質為API Spec 5 L-2000 《管線鋼管規范》(第42版)[12]規定的X 70和X 60,管件設計計算方法是數學分析法,即三通采用等面積補強,彎頭采用公式計算。

表1進口三通設計參數、規格、壁厚與材質表

設計壓力/MPa主管、支管公稱直徑/mm主管、支管外徑/mm主管與支管肩部壁厚/mm材質101000×10001016×101636.16WPHY70101000×6001016×61030.65WPHY70101000×5001016×50830.65WPHY70101000×3501016×323.929.87WPHY7010700×700711×71130.64WPHY6010700×300711×323.925.97WPHY6010400×300406×323.917.25WPHY606.3800×500813×50818.72WPHY60

表2進口彎頭設計參數、規格、壁厚與材質表

設計壓力/MPa公稱直徑/mm外徑/mm彎曲角度/(°)壁厚/mm材質101000101690/4526.46WPHY701090091490/4528.28WPHY60107007119022.42WPHY601050050890/4516.48WPHY6010400406.49012.88WPHY60

表3國產三通規格、壁厚與材質表

設計壓力/MPa主管、支管公稱直徑/mm主管、支管外徑/mm主管與支管肩部壁厚/mm材質101000×6001016×61046.8X70101000×5001016×50846.2X70101000×3001016×323.942.9X7010700×500711×50836.0X6010700×400711×406.435.2X6010600×600610×61036.8X6010600×300610×323.935.8X6010500×500508×50829.9X6010500×300508×323.928.1X60

表4國產彎頭規格、壁厚與材質表

設計壓力/MPa公稱直徑/mm外徑/mm彎曲角度/(°)壁厚/mm材質101000101690/4532.8X70107007119024X70106006109026.3X601050050890/4520X6010400406.490/4518X60

表1～4至少可以說明以下問題：

1)國產管件在選材上與國外管件是一致的,都是根據管件的設計壓力和管件公稱直徑確定其材質,美國規范MSS SP-75-1998 《優質鋼制對焊管件技術規范》[11]上規定的WPHY 70和WPHY 60的抗拉強度最小值分別為82 000 psi(565 MPa)和75 000 psi(517 MPa),屈服強度最小值分別為70 000 psi(483 MPa)和60 000 psi(414 MPa),與API Spec 5L-2000《管線鋼管規范》(第42版)[12]對X 70、X 60的規定是完全一致的。

2)由于采用同樣的規范MSS SP-75-1998 《優質鋼制對焊管件技術規范》[11],所以管件在主要結構尺寸上是相同的,實際上MSS SP-75-1998 《優質鋼制對焊管件技術規范》[11]的管件尺寸與其它管件標準ASME B 16.9-2001 《工廠制造的鍛軋制對焊管配件》[13]以及國內管件標準SY/T 0609-2006 《優質鋼制對焊管件規范》[14]、SY/T 0510-2010 《鋼制對焊管件規范》[15]在結構尺寸上都是相同的,可能存在不同的僅是由于設計或制造上模具結構、制造工藝造成的局部細小結構和尺寸上的差異。但是這些差異不會帶來強度計算上的差別。

3)由表1和表3可見,進口三通和國產三通由于不同工程需要的規格不同,較少有相同規格的三通可用于對比,但也可以看出以下的壁厚差別：

在相同設計壓力(10 MPa)和材質(WPHY 60/X 60)下,主管相同而支管不同的進口等徑三通DN 700×700肩部壁厚30.64 mm,反而比國產異徑三通DN 700×500的肩部壁厚36.0 mm要薄5.36 mm。

進口三通的肩部壁厚之所以要薄于國產三通的肩部壁厚,就在于三通設計計算方法的不同,進口三通計算采用驗證試驗法,而國產三通計算采用數學分析法的等面積補強法。

2　標準對管件計算方法的規定

2.1管件計算方法依據的標準

國內外標準對管件的計算方法都有規定,MSS SP-75-2008《優質鋼制對焊管件規范》[16]和ASMEB 16.9-2007 《工廠制造的鍛鋼對焊管件》[17]規定了管件計算采用數學分析法或驗證試驗法；國內管件標準SY/T 0609-2006 《優質鋼制對焊管件規范》[14]也是這樣規定的,SY/T 0510-2010 《鋼制對焊管件規范》[15]除了規定采用數學分析法或驗證試驗法外,還特別規定了對于拔制三通可采用等面積補強法計算,彎頭則采用環管公式計算。GB 50251-2015 《輸氣管道工程設計規范》[18]則明確規定三通采用等面積補強法計算。

2.2標準的差異

管件標準雖然對其計算方法均作了類似的技術規定,但是仔細分析可知,管件標準在驗證試驗的要求上仍然存在差異,當采用驗證試驗法進行管件的驗證試驗時就會出現不同的問題,因此采用哪個標準更為恰當,就是首先須要確定的問題。

式中：p為試驗管件最小計算驗證試驗壓力，MPa；σb為試驗管件的實際抗拉強度(在代表試驗管件材料的試樣上實測的抗拉強度)，MPa；t為管件上標志的公稱壁厚，即與其連接同材質主管的公稱壁厚，mm；D為管件在工程使用中所連直管的外徑，mm。

2.3推薦采用的管件標準

從上述分析可以看出,為了保證管件驗證試驗的順利進行,直接采用國外管件標準進行試驗是比較穩妥的,因此推薦管件特別是拔制三通進行驗證試驗時采用國外標準,例如MSS SP-75-2008 《優質鋼制對焊管件規范》[16]。如果在更為苛刻的高壓低溫環境下輸送油氣的管道,則應采用ASTM A 860/A 860 M-00 《高強度低合金鍛鋼對焊管件技術規范》[19],該規范規定的管件沖擊韌性試驗溫度為-46 ℃,且要求管件的最大硬度應為22 HRC。有文獻指出X 80大口徑三通的低溫斷裂韌度必須考慮尺寸效應的影響[20]。

3　采用驗證試驗法的相關問題

3.1驗證試驗是驗證試驗法的基礎

管件標準中規定了驗證試驗的方法、求取計算驗證試驗壓力的公式、合格的驗證試驗管件覆蓋范圍等,通過驗證試驗雖然不能直接給出管件經濟合理的壁厚,但是有了驗證試驗的數據,管件壁厚的確定就有了強度安全優化的試驗基礎。

3.2合格的驗證試驗適用范圍

用于驗證試驗的樣品管件的結構型式及尺寸必須符合標準規定。這樣的樣品管件在驗證試驗合格后,其結構型式及尺寸就成為覆蓋同類型結構的管件及尺寸范圍的基準。在這個前提下,才能采用驗證試驗法來確定其同類管件的壁厚。

3.3驗證試驗的管件應有制造工藝規范

管件的性能,特別是保證其強度安全的力學性能、金相組織、沖擊韌性等項指標很大程度上受到管件制造工藝的影響,特別是原材料的性能、熱加工工藝和熱處理工藝決定了管件的性能和安全性。因此驗證試驗合格的管件的制造工藝必然成為今后相同類型管件的制造工藝規范(MPS),并且也就相應規定了今后采用驗證試驗法確定壁厚的管件的制造工藝。在MSS SP-75-2008 《優質鋼制對焊管件規范》[16]中對此也有相應規定,因此不同的管件公司應有各自的驗證試驗,以確定管件壁厚,而不能借用別家公司的驗證試驗成果。

3.4管件的驗證試驗可能是多次的

采用驗證試驗法確定管件的壁厚相對于數學分析法是先進的,但是應用驗證試驗合格的管件所取得的數據并不一定是優化的,由此而確定的管件壁厚也不一定是優化的。在筆者與國外管件公司的技術交流中就獲悉,不同的管件公司同樣是采用驗證試驗法,確定得出的管件壁厚卻是不同的。所以管件的驗證試驗可能要進行多次,從中篩選出優化的數據和制造工藝,并將其作為今后確定管件壁厚的優化數據和制造工藝的規范。

4　結論

1)管件設計計算的驗證試驗法優于數學分析法,因此對管件壁厚的確定應該采用驗證試驗法。這不僅適用于高壓大口徑管件,也適用于中低壓和中小口徑的管件。

2)由于采用驗證試驗法確定的管件壁厚大大減薄,因此管件公司制造高壓大口徑管件在材料和制造工藝、裝備上存在的技術難題就自然得到了消除,保證了管件的性能和質量,管件和管道工程的安全性也得到了保證。

3)采用驗證試驗法確定管件壁厚的基礎是驗證試驗,管件的驗證試驗有可能要進行多次,包括對管件制造工藝的優化。

4)經過優化的合格的驗證試驗的管件結構型式、尺寸和制造工藝,應成為今后所適用的覆蓋范圍內的管件的結構型式、尺寸標準和制造工藝規范(MPS)。

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2016-02-19

西氣東輸三線天然氣管道工程(S 2011-270)

張有渝(1941-)，男，江蘇連云港人，教授級高工，主要從事石油化工壓力容器和石油天然氣壓力管道設備及管件、油罐設計、審核、審定及標準編制工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.02.020