提高管道設計系數對輸氣管道的經濟性影響

(1.廣州工程技術職業學院 廣東 廣州 510075)

(2.西氣東輸管道公司管道工程建設項目部 江蘇 鎮江 212000)

(3.中國石油長慶油田分公司 陜西 西安 710018)

提高管道設計系數對輸氣管道的經濟性影響

劉琦1莊志環2盛峰3

(1.廣州工程技術職業學院廣東廣州510075)

(2.西氣東輸管道公司管道工程建設項目部江蘇鎮江212000)

(3.中國石油長慶油田分公司陜西西安710018)

我國一類地區的油氣管道設計系數均為0.72，相比于西方發達國家的0.8還比較保守.目前國內大部分學者還主要通過研究新型管材來降低管道的壁厚從而降低管材的投資或提高管道的強度從而增加管道的輸量。本文以西氣東輸管道二線為例，定量地說明了將管道設計系數從0.72提高至0.8對減小管道壁厚或提高管道輸量的積極作用。經計算證明，提高管道設計系數對于節約管材成本和提高輸量具有非常顯著的效果。

油氣管道；設計系數；壁厚；輸量

隨著我國經濟和能源戰略的發展，國民對天然氣的需求與日俱增。為了提高天然氣的運輸總量和效率，我國已逐步進入高壓大口徑天然氣管道建設的高潮階段[1]。截至2013年10月，我國長輸油氣管道總長度已達10.6×104km，其中天然氣管道約6×104km，原油管道約2.6×104km，成品油管道約2×104km[2]。

就管道的設計準則和標準而言，國內外現行的管道設計都遵循應力的設計準則，即保證管道所受載荷產生的應力小于管材的屈服應力乘以設計系數[3]。我國目前在一類地區管道的設計系數為0.72，而加拿大早在20世紀70年代就在管道設計規范中引入了0.8的設計系數，并在許多輸氣管道上進行了應用[4]。所謂提高輸氣管道設計系數，就是將管道設計系數提高到0.72以上，這樣做一方面可以以在管道材質和管徑一定的情況下提高輸氣壓力，增加輸量，而無需增加管道壁厚；另一方面，也可以在輸氣量不變的情況下，減少管線的壁厚，從而節約鋼材用量，減少工程投資。鑒于以上兩點，對管道設計系數的優化是具有深遠意義的。本文以西氣東輸管道二線為例來進行具體分析。

一、節約投資

(一)西氣東輸二線簡介

西氣東輸二線西起阿拉山口，東至廣州和上海，途徑新疆，甘肅，寧夏，陜西，河南，湖北，江西，廣東，安徽浙江和上海等11個省直轄市自治區。管道包括一條干線，5條支線，總長度7256km，其中干線長度為4832km，5條支線長度為2434km，共設195座閥室。

圖1 西氣東輸二線管道初步走向

(二)管道設計規格

西氣東輸二線管道設計規格見表1。

(三)設計公式

按照我國《輸氣管道工程設計規范》(GB50250)，輸氣管道直管段管壁厚度按下式算[6]：

(1)

式中：σs—鋼管最低屈服強度，MPa；

δ—鋼管設計壁厚，m；

p—設計壓力，MPa；

D—鋼管外徑；

F—強度設計系數，輸氣管道的強度設計系數應根據地區分類選取；

φ—焊縫系數，取1.0；

t—溫度折減系數，當溫度低于120℃時，取t=1.0。

表1 西氣東輸二線管道設計規格[5]

(四)經濟計算

據測算，管道所用鋼管的費用占整個管道建設總費用的30%～40%，如果能夠在保證輸量和管道強度安全的前提下適當減小管道的壁厚，那么對于節約管道的材料費用來說是非常有利的。我國目前一類地區的管道設計系數為0.72，而在加拿大和美國等西方國家早已將這個系數提高到0.8，下面將通過計算來說明將設計系數提高至0.8對節約管材會起到多大的幫助。

設原有管道的壁厚為δ1，改變管道設計系數(將設計系數F由0.72提高到0.8，其他參數不變)后管道的設計壁厚變為δ2，則δ2=0.9δ1。由于管道的外徑D保持不變，管道壁厚由δ1變為0.9δ1，則管道的內徑增加了0.2δ1。設管道原來的內徑為d1，則變化后管道的內徑為d2=d1+0.2δ1。記設計系數F變化前后單位長度管道所用鋼材的體積分別為v1和v2，則有：

v1=πd1δ1，v2=πd2δ2=0.9δ1π(d1+0.2δ1)

變化前后的體積差

Δv=v1-v2=πδ1(0.1d1-0.18δ1)

設鋼材的密度ρ=7850kg/m3，則單位長度管道所用鋼材的質量差為：

(2)

根據表1-1中提供的數據帶入到(2)式中得：

Δm1=24657×0.0184×(0.1×1.1822-0.18×0.0184)=52.13kg/m

Δm2=24657×0.0128×(0.1×1.0124-0.18×0.0128)=31.23kg/m

Δm3=24657×0.00769×(0.1×0.5946-0.18×0.00769)=11.01kg/m

Δm4=24657×0.0128×(0.1×1.0124-0.18×0.0128)=31.23kg/m

Δm5=24657×0.0115×(0.1×0.8910-0.18×0.0115)=24.68kg/m

Δm6=24657×0.00896×(0.1×0.6931-0.18×0.00896)=14.96kg/m

則全線節約鋼材的總質量為：

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ΔM=Δm1L1+Δm2L2+Δm3L3+Δm4L4+Δm5L5+Δm6L6=2.70783×105t

若全線采用X80型號鋼材，鋼材的單價為4250元/噸，則可以節約鋼材的總價為;

ΔP=ΔM×p=2.70783×105×4250=1.1508×109元

二、提高輸量

作為國內天然氣供應和能源配置的“大動脈”，西氣東輸二線工程在投產的三年里，累計輸氣量已突破700億立方米，其中2013年輸氣量達到279億立方米。

但是，如此龐大的輸量仍然無法滿足國內巨大的天然氣需求，提高管線輸量這一課題仍是目前許多專家學者研究的重點。

提高管道設計系數可以保證在管道壁厚不變的情況下提高輸氣壓力，從而增大管道輸量。下面將通過計算來具體闡述。

(一)幾點假設

由于西氣東輸二線工程量巨大，鋪設管道的地形和環境極為復雜，沿途增壓站輸量眾多，所以為了計算方便，做出以下幾點假設：

1、每段管道只有一個起點增壓站和一個終點集氣站，管道沿途的沒有閥門等節流裝置，且管道近似為直管；

2、每段管道不存在高差，即水平管；

3、等溫輸送。

(二)輸量計算

水平輸氣管道的流量基本公式為[7]：

(3)

式中：PQ，Pz—輸氣管計算段的起、終點壓力，Pa；

D—輸氣管內徑，m；

λ—水力摩阻系數；

Z—天然氣在管輸條件(平均壓力和平均溫度)下的壓縮因子；

Δ*—天然氣的相對密度；

T—輸氣溫度，K；

L—輸氣管計算段長度，m。

其中p0和T0為工程標準狀況下的壓力(Pa)和溫度(K)，Ra空氣的氣體常數(kJ·(kg·K)-1)

由公式(1)可知，在保持壁厚不變的條件下，提高設計系數F，輸氣壓力會增大。記提高設計系數前后的起點壓力分別為pQ1和pQ2，終點壓力為pz1和pz2。現將設計系數F從0.72提高到0.8，則有pQ2=1.11pQ1。則提高設計系數后起點和終點壓力的平方差為：

根據公式(3)可知，在其他條件不變的情況下，提高設計系數后與提高設計系數前的流量比為：

即將設計系數從0.72提高到0.8，其輸量會提高原來的11%。根據表1-1中的數據，改變設計系數之前的年輸氣總量為670×108m3，則改變設計系數之后的輸氣量為737×108m3，提高了67×108m3。

三、結論

本課題研究了管道設計系數的變化對管道的經濟性影響，通過計算證明了提高管道設計系數有利于節約管道的建設成本或者提高管道的輸量。在某種程度上可以說明，提高管道設計系數是今后管道設計的一個發展趨勢。

在設計輸量保持不變的情況下，將設計系數從0.72提高至0.8，可以減小管材的壁厚，從而降低管材的投資。以西氣東輸二線管道為例，管材成本可節省約11億元。

在保持管道壁厚不變的條件下，將設計系數從0.72提高至0.8可以將輸氣壓力提高約11%，經計算得知總輸氣量也隨之提高11%。從原來的670×108m3/a提高到737×108m3/a，總數量提高67×108m3，可為北京市冬季連續供暖約220天。

[1]吳宏,張對紅,羅金恒,諶貴宇,郭志梅.輸氣管道一級地區采用0.8設計系數的可行性[J].油氣儲運,2013,32(8):799-804.

[2]王保群,林燕紅,艾勇,周夏伊,王小強.從評價角度看我國油氣管道取得的成就[J].石油規劃設計,2014,25(4):6-9.

[3]張宏,顧曉婷,趙麗恒.基于可靠性的油氣管道設計系數研究[J].焊管,2011,34(4):58-62.

[4]趙新偉,張廣利,羅金恒,莊傳晶,張華.提高設計系數對天然氣管道安全可靠性影響及可行性分析[C].第七屆全國壓力容器學術會議,2009.

[5]羅東曉,趙勤.西氣東輸二線工程簡介[J].煤氣與熱力,2007,27(11):61-63.

[6]帥健,于桂杰.管道及儲罐強度設計[M].北京:石油工業出版社,2006.

[7]李玉星,姚光鎮.輸氣管道設計與管理[M].東營:中國石油大學出版社,2009.

劉琦(1989-)，男，碩士研究生，吉林長春人，廣州工程技術職業學院專任教師，研究方向油氣管道工程設計。