油田進站長輸管道壁厚計算及強度校核

劉欣玉

（中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101）

0 引言

隨著對海外油田市場的不斷深化參與開發，國外油田項目在海外市場上占有份額也隨之提高。油田進站長輸管道位于管匯部位，一旦發生泄漏失效，不僅會影響油田的正常生產，造成重大的經濟損失，同時管道失效泄漏的有毒有害、易燃易爆介質，也會嚴重威脅著人身安全和造成嚴重的環境污染。因此，進站長輸管道壁厚的規范設計，正確計算和校核不僅影響著管道的安全穩定性，也直接關乎項目的經濟成本，是項目設計過程中重要的環節。

本文通過選用適用的國際規范，介紹了國外油田項目的進站長輸管道的壁厚計算及強度校核、熱感應煨彎管壁厚減薄計算。以國外某油田項目為例，對進站長輸管道的壁厚計算及校核情況進行介紹和總結。

1 壁厚計算及強度校核

1.1 壁厚計算

國外油田項目的進站長輸管道壁厚一般采用ASME B31.4[1]標準403.2.1章節公式進行計算，確定輸油管道最小壁厚的計算公式為：

式中，t為鋼管的計算壁厚（mm）；Pi為設計內壓力（MPa）；D為鋼管外直徑（mm）；S為鋼管許用應力（MPa）。

其中，許用應力S的計算公式為：

式中，F為設計系數；Ej為ASME B31.4標準表403.2.1-1中列出的焊接接頭系數；SMYS為最小屈服強度（MPa），在管道材料標準中可以查到，國外長輸管道標準以API SPEC 5L為主。

鋼管的公稱壁厚應按下式確定：

式中，tn為滿足壓力和腐蝕裕量要求的公稱壁厚（mm）；CA為腐蝕裕量（mm）。

1.2 管道應力計算

由于管道受到內部壓力和外部載荷的作用，以及管道本身溫度變化也會產生應力，在進站長輸管道設計過程中應對其進行計算，滿足所選管道壁厚的安全承受能力，減少強度失效的風險。

1）環向應力計算

對于有約束和無約束管道，由內壓引起的環向應力按ASME B31.4標準402.3章節公式進行計算，環向應力保守計算中扣除了腐蝕余量：

式中，SH為由內壓引起的環向應力（MPa）。

2）熱膨脹應力計算

受約束管道熱膨脹引起的軸向應力按ASME B31.4標準402.5.1章節公式進行計算：

式中，SE為由溫度變化產生的軸向應力（MPa），負值表示壓應力，正值表示拉應力；E為鋼管彈性模量（MPa），按ASME B31.4標準402.2.2章節可取2.03×105；α為鋼管線膨脹系數（mm/mm/℃），按ASME B31.4標準402.2.1章節可取11.7×10-6；T1為管道安裝的環境溫度（℃）；T2為管道最高工作溫度（℃），考慮采用設計溫度。

3）附加軸向應力計算

受約束管道的附加軸向應力應按ASME B31.4標準402.6.1章節公式進行計算：

式中，ν為泊松比，按ASME B31.4標準402.2.3章節可取0.3；M/Z為由于彎曲引起的軸向應力，Fa/A為由于外部載荷引起的軸向應力，這兩項在壁厚的強度校核中可以不考慮。

（4）等效組合應力計算

受約束管道中，按ASME B31.4標準402.7章節，根據最大剪應力理論將軸向應力和環向應力組合為等效組合應力，公式如下：

式中，Seq為等效組合應力（MPa）；St為扭轉應力（MPa），對于陸上管線，St可忽略不計，因此公式7可簡化為：

1.3 強度校核標準

鋼管在使用過程中的應力值不應超過ASME B31.4標準表403.3.1-1中的許用值，驗收標準如下：

（1）環向應力校核

（2）熱膨脹應力校核

（3）附加軸向應力校核

（4）等效組合應力校核

2 熱感應煨彎管壁厚減薄計算

在進站長輸管道的設計過程中，若采用熱感應煨彎管，用于煨彎管的母管應包括管道壁厚中的彎曲減薄余量。彎曲半徑最小應為6D，為保證整個管道的強度均勻，制造后彎曲處的厚度應至少與直管相當。彎曲減薄余量應按BSI PD 8010-1[2]標準公式2進行計算：

式中，n為內彎半徑除以管徑，計算公式如下：

式中，Rfb為彎曲半徑，一般取6D；D為鋼管外直徑（mm）。

用公式計算所得的彎曲減薄余量沒有考慮到其他取決于彎曲過程的因素，因此，最終用于煨彎管的母管壁厚應讓制造商確認。

3 應用實例

3.1 項目情況介紹

國外某原油處理項目的進站長輸管道有兩條，管道內的介質為含水原油，管道的設計壓力為3MPa，設計溫度為110℃。進站長輸管道的具體設計數據如表1所示。

3.2 設計系數選取

ASME B31.4標準規定設計系數F的值不得大于0.72。如果管道敷設地點不同，可以選擇使用小于0.72的設計系數。在設定設計系數時，要充分考慮壁厚公差和最大允許缺陷深度。進站長輸管道的設計系數可按照表2選擇。

表2 設計系數F

3.3 管道材料

考慮到進站長輸管道使用在酸性環境下，因此選用管材鋼級為API 5L-PSL2-X52QS，并滿足NACE MR0175/ISO 15156標準的相關要求。其中一條為DN500焊接鋼管，一條為DN250的無縫鋼管，考慮介質的腐蝕情況，腐蝕裕量確定為6mm。計算時需要用到的管道材料數據如表3所示。

表3 管道材料數據

3.4 壁厚計算

根據1.1節列出的壁厚計算公式，對本項目進站長輸管道的壁厚進行計算和選取。所選擇的公稱壁厚是基于計算結果的最接近ASME B36.10M標準的厚度，根據不同管道直徑進行了合理化設計。一般線路計算時，設計系數F選取0.72；道路交叉口和工廠區域的管道計算時，設計系數F選取0.6，計算過程采用表格形式清晰直觀，具體計算過程如表4所示。

表4 壁厚計算

根據第二節列出的彎曲減薄計算公式，對本項目熱感應煨彎管母管的壁厚進行計算和選取。經計算，直管壁厚能滿足彎曲減薄的要求，具體計算過程如表5所示。

表5 熱感應煨彎管壁厚計算

3.5 強度校核

根據1.2節列出的應力計算公式和1.3節列出的強度校核標準，對3.4節選取的公稱壁厚進行環向應力、熱膨脹應力、附加軸向應力和等效組合應力校核。為使校核結果安全可靠，設計系數F選取0.6。具體計算過程如表6所示，可以看出，選取的公稱壁厚可以滿足強度校核要求。

表6 強度校核

3.6 結論

根據管道壁厚計算和彎曲減薄計算結果，結合強度校核結論，DN500焊接鋼管選用壁厚11.13mm，DN250無縫鋼管選用壁厚9.27mm，對于本項目進站長輸管道選用的壁厚是可靠和足夠的。

4 結語

（1）國外油田項目的進站長輸管道，一般采用ASME B31.4標準進行壁厚計算和強度校核，采用BSI PD 8010-1標準進行彎曲減薄計算；

（2）所選擇的公稱壁厚是基于計算結果的最接近ASME B36.10M標準的厚度，根據不同管道直徑進行了合理化設計。強度校核包括環向應力、熱膨脹應力、附加軸向應力和等效組合應力校核。計算應力小于許用應力，則強度校核通過，選用的公稱壁厚是可靠和足夠的；

（3）以國外某油田項目為例，詳細介紹了進站長輸管道壁厚計算、彎曲減薄計算以及強度校核的全過程，并提供了典型參數的選取原則。計算過程采用清晰直觀的表格進行梳理和總結，可以應用在油田管道設計的過程中。