城市天然氣管道工程中彎管和彎頭的選用

摘 要

摘要：分析了管道彈性敷設(shè)方式、熱煨彎管、冷彎彎管的特點(diǎn)，探討了壓力大于1.6MPa和壓力不大于1.6MPa的城市天然氣管道工程中彎管和彎頭的選用。關(guān)鍵詞：天然氣管道；彎頭；彈性敷設(shè)；熱
摘要：分析了管道彈性敷設(shè)方式、熱煨彎管、冷彎彎管的特點(diǎn)，探討了壓力大于1.6MPa和壓力不大于1.6MPa的城市天然氣管道工程中彎管和彎頭的選用。
關(guān)鍵詞：天然氣管道；彎頭；彈性敷設(shè)；熱煨彎管；冷彎彎管
Selection of Bend and Elbow in City Natural Gas Pipeline Project
ZHU Lin，YANG Yonghui，YANG Jiong
Abstract：The elastic installation mode of pipeline as well as the characteristics ot hot-bending bend and cold-bending bend are analyzed.The selection of bend and elbow in city natural gas pipeline project with pressure of more than and equal to or less than 1.6MPa is discussed.
Key words：natural gas pipeline；elbow；elastic installation；hot-bending bend；cold-bending bend
1 概述
   隨著城市天然氣用氣量的不斷增加，為提高城市天然氣輸配管網(wǎng)的輸送能力，各城市加快了天然氣管道尤其是高壓力大管徑天然氣管道的建設(shè)。GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》將燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的壓力級(jí)制分為7級(jí)，對(duì)于設(shè)計(jì)壓力大于1.6MPa的天然氣管道工程設(shè)計(jì)，引入了地區(qū)等級(jí)概念并規(guī)定了相應(yīng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，同時(shí)規(guī)定了管道附件的設(shè)計(jì)和選用要求。用來(lái)改變管道走向的彎頭、彎管作為重要的管道附件，其形式、材料、強(qiáng)度、加工方式以及敷設(shè)方式對(duì)管道工程的設(shè)計(jì)和施工有重要影響。筆者根據(jù)GB 50028—2006的要求和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)管道工程中彎頭、彎管的選用進(jìn)行分析。
2 輸送壓力大于1.6MPa的天然氣管道
   ① 管道敷設(shè)方式
   隨著地形的變化，天然氣管道有時(shí)需要改變走向，因此敷設(shè)管道時(shí)要相應(yīng)地做豎向彎曲和平面彎曲，管道彈性敷設(shè)是改變走向的形式之一。GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，彈性敷設(shè)管道的曲率半徑應(yīng)滿足管道強(qiáng)度要求，且不得小于鋼管外直徑的1000倍。豎直面上彈性敷設(shè)管道的曲率半徑應(yīng)大于管道在自重作用下產(chǎn)生的撓度曲線的曲率半徑，其曲率半徑應(yīng)滿足式(1)。
 
式中ρ——管道彈性彎曲的曲率半徑，m
    α——管道的轉(zhuǎn)角，(°)
    D——管道的外徑，cm
    管道按水平方向的彈性彎曲敷設(shè)時(shí)，管道組焊時(shí)依據(jù)設(shè)計(jì)要求形成的管道走向；管道按豎直方向的彈性彎曲敷設(shè)時(shí)，管道組焊時(shí)依據(jù)設(shè)計(jì)要求的管溝豎直曲面形成管道走向。對(duì)于城市天然氣管道工程，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和生產(chǎn)管理方面來(lái)看，彈性敷設(shè)比較經(jīng)濟(jì)合理，但由于曲率半徑要求較大，彈性敷設(shè)的采用受制于地形，比如一般道路的曲率半徑都比較大，隨道路敷設(shè)的天然氣管道采用彈性敷設(shè)方式能避免采用很多彎頭或彎管，施工方便且節(jié)約費(fèi)用。在遠(yuǎn)離主城區(qū)或規(guī)劃城區(qū)的平原敷設(shè)燃?xì)夤艿?，采用彈性敷設(shè)一般都具備條件，但在障礙物較多的城區(qū)內(nèi)或地形起伏較大的丘陵地帶就較難實(shí)現(xiàn)，管道不能隨地形做等埋深的垂直放線彎曲，造成管道懸空或局部埋深不足。為了解決這些問(wèn)題必須增加土方量，這些地帶可不采用彈性敷設(shè)方式，而選用熱煨彎管或冷彎彎管來(lái)改變管道方向。
   ② 熱煨彎管
對(duì)于設(shè)計(jì)壓力大于1.6MPa的天然氣管道，目前熱煨彎管使用較多。熱煨彎管用碳鋼及低合金鋼無(wú)縫鋼管或焊接鋼管通過(guò)加熱彎制工藝制作。相對(duì)于冷彎彎管，熱煨彎管具有生產(chǎn)效率高、彎曲角度不受限制、成型質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。由于管口圓度好，必要的熱處理消除了殘余應(yīng)力，而且壁厚減薄率可以控制到低于10%，因此保證熱煨彎管的質(zhì)量成為業(yè)主等關(guān)注的重點(diǎn)。壁厚減薄率[1]C按照式(2)進(jìn)行確定。
 
式中C——壁厚減薄率
    δ1——母管實(shí)際壁厚的最小值，mm
    δ2——彎管外弧側(cè)最薄處壁厚，mm
    對(duì)于設(shè)計(jì)壓力大于1.6MPa的天然氣管道，由于要考慮地區(qū)等級(jí)對(duì)管道壁厚的影響，有時(shí)還要考慮清管通球的需要，彎曲角度不受常規(guī)角度限制，可根據(jù)實(shí)際情況確定，按照SY/T 5257—2004《油氣輸送用鋼制彎管》制造的彎管均能滿足以上要求。熱煨彎管也有一些缺點(diǎn)：a.制作過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)外弧側(cè)管壁減薄的情況，因此需要增加母管的壁厚。b.部分橫截面是橢圓形，彎曲段橫截面圓度控制不好會(huì)影響通球。c.彎曲段和直管段之間存在加熱溫度過(guò)渡區(qū)。d.熱煨彎管需要提前訂貨，因?yàn)榧庸すに嚊Q定其只能在工廠預(yù)制，若訂貨時(shí)提供的彎管加工清單有誤或現(xiàn)場(chǎng)情況與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)情況不符，則必須要按照實(shí)際需要的角度再次到工廠預(yù)制，會(huì)耽誤施工工期。因此選擇熱煨彎管必須考慮全面且保證彎管角度準(zhǔn)確。
   ③ 冷彎彎管
   冷彎彎管是由彎管加工機(jī)現(xiàn)場(chǎng)彎制而成。要保證彎管加工機(jī)的最小彎曲半徑大于18倍的管道外徑，根據(jù)應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)理論，彎曲的半徑由管徑?jīng)Q定。應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)理論的基本原則是當(dāng)管道設(shè)計(jì)應(yīng)變大于容許應(yīng)變時(shí)，則管道失效；當(dāng)管道設(shè)計(jì)應(yīng)變小于容許應(yīng)變時(shí)，則管道安全。目前大管徑高壓力天然氣管道一般都采用GB/T 9711.2—1999《石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件 第2部分：B級(jí)鋼管》管材，其特點(diǎn)是強(qiáng)度高，但是隨著強(qiáng)度的增加，管材的延展性能下降。冷彎彎管應(yīng)變能力不僅與管徑相關(guān)，而且與管道的變形能力等參數(shù)有關(guān)。設(shè)管道外徑為D，，單位為m。對(duì)于采用x系列的管線鋼，研究表明，API 5L X42鋼級(jí)以下的管道可以采用3°/D1(最小曲率半徑相當(dāng)于20D1)準(zhǔn)則；X42～X65鋼級(jí)的管道可以采用1.5°/D1(最小曲率半徑相當(dāng)于40D1)準(zhǔn)則；X70鋼級(jí)或強(qiáng)度更大的管道可以采用1°/D1(最小曲率半徑為60D1)準(zhǔn)則。根據(jù)不同材質(zhì)、不同規(guī)格的管線鋼采用的準(zhǔn)則能確定出冷彎彎管的最大彎隨角度和最小曲率半徑[2]。
    假設(shè)每根鋼管長(zhǎng)12m，由于冷彎彎管兩端要各留2m長(zhǎng)的直管段，故彎曲部分的長(zhǎng)度為8m。對(duì)于X42鋼級(jí)以下的管道，冷彎彎管的最大彎曲角度為8×(3°/D1)；對(duì)于X42～X65鋼級(jí)的管道，冷彎彎管的最大彎曲角度為8×(1.5°/D1)；X70管道或強(qiáng)度更大的管道，冷彎彎管的最大彎曲角度為8×(1°/D1)。
    以北京市六環(huán)路天然氣管道工程為例，外徑為1016mm，設(shè)計(jì)壓力為4.0MPa，鋼管的材質(zhì)采用API 5L X70。管道的冷彎彎管可取1°/D1準(zhǔn)則，即最小曲率半徑為60D。，最大彎曲角度為8×(1°/D1)≈8°。
3 輸送壓力不大于1.6MPa的管道工程
    對(duì)于設(shè)計(jì)壓力不大于1.6 MPa的城鎮(zhèn)天然氣管道工程，按照GB 50028—2006的要求，計(jì)算管道壁厚時(shí)不需要考慮地區(qū)等級(jí)對(duì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)的影響，可選用按GB/T 12459—2005《鋼制對(duì)焊無(wú)縫管件》和GB/T 13401—2005《鋼板制對(duì)焊管件》制造的標(biāo)準(zhǔn)化彎頭[3]，曲率半徑一般采用1.5倍外徑。對(duì)于以后可能需要清管通球的管道，一般采用曲率半徑大于或等于4倍外徑的彎管。這些彎頭和熱煨彎管是成品，故采購(gòu)方便且成本較低，但需要采購(gòu)方根據(jù)需求指定管件的壁厚。
4 結(jié)論
    對(duì)于壓力大于1.6MPa的城市天然氣管道，在采用彈性敷設(shè)方式時(shí)，由于地形條件的制約，彈性敷設(shè)水平面和豎直面上的曲率半徑受到限制。為了適應(yīng)地形的變化和避開(kāi)障礙物等，特設(shè)置彎管。其中，冷彎彎管具有靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，但冷彎彎管的曲率半徑、彎曲角度有限制，且要求施工單位必須具備彎管加工機(jī)。熱煨彎管的壁厚和彎曲角度不受限制，生產(chǎn)效率高，適用于集中采購(gòu)訂貨，但如果施工時(shí)彎管角度發(fā)生變化，需要重新到工廠預(yù)制，會(huì)耽誤工期并產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失。
   因此，對(duì)于壓力大于1.6MPa的城市天然氣管道，如能滿足條件，應(yīng)優(yōu)先采用彈性敷設(shè)，其次考慮冷彎彎管，最后選擇熱煨彎管。對(duì)于壓力不大于1.6MPa的城市天然氣管道，可選用標(biāo)準(zhǔn)彎頭，但需注意管道有無(wú)通球要求。
參考文獻(xiàn)：
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(本文作者：朱林 楊永慧 楊炯 北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100032)