压缩天然气工程管道壁厚计算探讨

李金成

河北渤海工程设计有限公司，河北 石家庄 050021

0 前言

压缩天然气供应站、CNG加气站同属石油天然气行业终端，对于此类站场虽然国家都有相关的标准规范但都缺乏对工艺管道壁厚计算公式选取的具体要求。因此在行业内一直存在两种不同的观点：一种是按石油天然气行业及城镇燃气强度计算公式计算；另一种是按工业管道强度计算公式计算。其实，上述两种计算公式本质都一样，不论是石油天然气行业还是工业管道的强度计算公式都同属于第三强度理论，只在表达上有所区别。石油天然气行业采用钢管最低屈服强度为设计参数，引入设计系数进行计算，由最低屈服强度和设计系数的乘积得出设计温度下的许用应力[1]。而工业金属管道的壁厚计算参数则直接引用设计温度下的许用应力。

笔者认为，两个公式无本质差别，只是安全系数选取不同而已，而对于压缩天然气供应站来说，其本身就属于石油天然气行业，所以对于此类站场管道壁厚计算按石油天然气行业的计算公式采用钢管最低屈服强度为设计参数，并结合设计系数进行计算更为安全。

1 行业特性

石油天然气行业从油气田的开采到加工处理、管道输送至长输站场再到其下游门站、加气站都有自身的行业特性。GB 50350-2005 《油气集输设计规范》适用于油田、气田集输工程设计，涉及气田采出气的加压，气田内管道压力高达30 MPa甚至更高，该规范中油气集输管道壁厚用公式δ=（PD）/（2σsFφt）+C计算，式中采用钢管最低屈服强度σs和设计系数F为计算参数[2]，应用了第三强度理论。

油气田净化加压处理后的天然气经管道输送至各站场，在这些输气管道及站场（包括天然气加压站）设计中采用GB 50251-2003《输气管道工程设计规范》管道壁厚公式δ=（PD）/（2σsFφt）计算，式中采用钢管最低屈服强度σs和设计系数F为参数计算钢管壁厚[3]，同样应用了第三强度理论。

GB 50028-2006《城镇燃气设计规范》也提到压力大于1.6 MPa小于4 MPa的钢管采用第三强度理论δ=（PD）/（2σsFφt）公式计算管道壁厚[4]。

可见在整个石油天然气行业产业链从始至终都是使用第三强度理论计算管道壁厚。

2 外部环境

对于石油天然气行业管道强度计算所考虑的外部因素与工业管道不同，工业管道多处于工业园区，有的是专门规划的化工园区，其外部环境与压缩天然气加气站、供应站不同。压缩天然气加气站、供应站多处于城市建成区，人口及商业、公共建筑往往较多，需考虑加大设计安全系数，提高工艺系统本质安全[5]，而工业管道不区分这些因素。工业管道的强度计算理论与石油天然气行业的强度计算理论虽都同为第三强度理论但其考虑的因素与石油天然气行业不同，工业管道的强度计算公式主要考虑温度的影响，随使用温度的增加其允许的许用应力值减小。而石油天然气行业主要考虑事故状态对外部环境（周边的人群、建筑物）的影响。

所以对处于天然气行业终端的压缩天然气加气站、供应站中加压前后的管道根据其建站所处地区人口及商业情况采用δ=（PD）/（2σsFφt）更为合适。式中引入钢管最低屈服强度σs和设计系数F为计算参数计算管道壁厚。在人口稠密，商业建筑较多地区增大安全设计系数，保证管路系统本身的安全性。而不宜采用GB/T 20801.3-2006《压力管道规范 工业管道 第3部分》中t=（PD）/[2（ sφ+PY）]公式，使用统一许用应力值做为参数进行管道壁厚计算[6]。

GB 50251-2003《输气管道工程设计规范》第4.2.1、4.2.2条解释说明中提到：天然气管道许用应力的取值根据所处地区等级不同在（0.4～0.7）σs之间选取，当所处地区人口稠密、建筑较多时应选用较小的强度设计系数降低许用应力值，提高安全度，以确保管道周围建筑物的安全。GB 50423-2007《油气输送管道穿越工程设计规范》第3.2.4条也提到许用应力值按强度设计系数F乘以屈服强度σs进行计算，这是我国石油天然气行业管道强度计算理论的基本原则。而工业管道许用应力值是温度函数，这样不论在什么样的内外部环境下只要工作温度一定其取值就是固定的。

例如：304无缝钢管管道外径60 mm，屈服强度σs=205 MPa, 工作压力25 MPa，设计压力27.5 MPa ，工作温度小于100 ℃，分别采用石油天然气行业第三强度理论δ=（PD）/（2σsFφt）和GB/T 20801.3-2006《压力管道规范 工业管道 第3部分》公式计算压缩天然气管道壁厚，按不同地区等级取设计系数F值(根据《城镇燃气设计规范》表6.4.9选取)，计算结果见表1。

表1 石油天然气行业与工业管道壁厚计算

从表1可以看出按石油天然气行业公式δ=（PD）/（2σsFφt）计算，根据不同地区等级计算的结果与工业管道计算结果相差大，原因是工业管道壁厚计算公式主要考虑温度的影响，故对于压缩天然气加气站、供应站设计采用第三强度理论δ=（PD）/（2σsFφt）更为适宜。

3 工业管道对高压管道设计要求

对PN16～32 MPa高压管道、管件，我国最早有化工部行业标准H1～31-67《高压管件及紧固件通用设计》，该标准沿用至今。在HG/T 20553-2011《化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列》中提到H1～31-67《高压管件及紧固件通用设计》依然有效，虽然H1～31-67标准允许直接在管道上开等径三通，对管道壁厚做了补强设计，增加了管道壁厚，同时也考虑了加工螺纹时产生的壁厚减薄量，但根据GB/T 196-2003《普通螺纹 基本尺寸》、GB/T 197-2003《普通螺纹 公差》和 GB/T 12716-2011《60°密封管螺纹》相关标准，1"～2"（外径最大到114 mm）螺纹最大加工深度为1.76 mm，采用H1～31-67标准计算，三通开孔补强厚度保守估算为2 mm（主管和支管各自都增加2 mm补强厚度），则H1～31-67《高压管件及紧固件通用设计》壁厚对于对焊管件来说至少有2 mm的余量（螺纹加工深度与开孔补强增加厚度不进行叠加计算）。

2010年我国发布JB/T 2768-2010《阀门零部件 高压管子 管件和阀门端部尺寸》，其中PN25 MPa、PN32 MPa的外螺纹连接高压管道规格与H1～31-67《高压管件及紧固件通用设计》标准所列管道规格完全一致，如果按该标准中提到的螺纹加工要求符合GB/T 12716-2011标准，则1"～2"（外径最大到114 mm）螺纹最大加工深度为1.76 mm，减去此部分厚度后JB/T 2768-2010《阀门零部件 高压管子 管件和阀门端部尺寸》中的管道壁厚见表2。

目前我国常用法兰标准HG/T 20592～20635-2009中美洲体系PN260对应的整体法兰接管规格在该规范表8.2.4-5中已经给出其连接管道壁厚值，其壁厚基本与H1～31-67《高压管件及紧固件通用设计》、JB/T 2768-2010《阀门零部件 高压管子 管件和阀门端部尺寸》壁厚一致（见表2）。

按石油天然气行业采用第三强度理论δ=（PD）/（2σsFφt）计算压缩天然气供应站、加气站内工艺管道壁厚，设计压力取27.5 MPa，按地区等级取设计系数F值(根据GB 50028-2006《城镇燃气设计规范》表6.4.9选取，取F=0.4)。各个标准及计算结果比较见表2[7-9]。

表2 各标准高压管道壁厚比较表

由表2可见，在不考虑螺纹加工深度的情况下我国现行的JB/T 2768-2010《阀门零部件 高压管子 管件和阀门端部尺寸》、H1～31-67《高压管件及紧固件通用设计》、HG/T 20615-2009《钢制法兰（Class系列）》所列的PN32MPa系列管道外径和壁厚的数值与δ=（PD）/（2σsFφt）公式计算结果基本一致。

综上，我国工业管道在PN16 MPa、PN32 MPa高压管道设计时，计算管道壁厚也加大了安全系数，比采用GB/T 20801.3-2006《压力管道规范 工业管道 第3部分》所给的公式计算值要厚，在设计时对于此类高压系统管道通常都是直接选用标准而不再按GB/T 20801.3-2006《压力管道规范 工业管道 第3部分》进行管道壁厚计算。

所以对于与长输管道、城市燃气密切相关的压缩天然气供应站、加气站站场内管道壁厚计算,采用第三强度理论δ=（PD）/（2σsFφt）能与目前我国相关标准更好地配套使用。

4 与上游输气管道衔接

作为压缩天然气供应站、加气站不论是母站还是标准站其气源都来自长输管道或门站，如果是长输管道来气按GB 50251-2003《输气管道工程设计规范》输气站场内管道壁厚计算采用δ=（PD）/（2σsFφt），如果是门站按GB 50028-2006《城镇燃气设计规范》也提到压力大于1.6 MPa小于4MPa的钢管计算采用第三强度理论δ=（PD）/（2σsFφt），对同一站场内管道壁厚计算应选用统一的计算公式，也不宜前段进站管道采用一个计算公式，压缩机加压后再采用另一个计算公式。同时作为输气站场或者城市门站选用的管材通常采用GB/T 9711-2011 《石油天然气工业管线输送用钢管》标准，在该标准中只给出了屈服强度值而查不到相应温度下的许用应力值，在其他现有标准中也很难查找，这样在利用工业管道计算公式进行计算时就造成许用应力取值的问题，究竟如何取值难以确定也无统一标准，所以对于与长输管道、城市燃气密切相关的压缩天然气供应站、加气站站场内管道壁厚计算采用第三强度理论δ=（PD）/（2σsFφt）更为合适。

5 国家技术监督局要求

目前国家质量技术监督总局虽然要求天然气站场、城镇燃气站场、加气站站内管道按工业管道监管，但国家质量技术监督总局也强调只是按工业管道监管，其相关设计应按相关国家或行业标准进行，工业管道监察规程只是最低要求。通过上述计算举例可以看出，按现行石油天然气行业公式进行计算得到的管道壁厚完全满足监察规程的要求，与监察规程不矛盾。

6 结论

通过计算可看出，根据压缩天然气供气站所建地理位置适当加大安全设计系数，对于在城市建成区内建设该类项目管道壁厚计算选用公式δ=（PD）/（2σsFφt）更为合适。另外，从管道选材、管件选取也更能和我国国内相关标准配套使用。

[1]沙晓东，陈晓辉，黄 坤，等.输气管道应力影响因素分析[J]. 天然气与石油，2013, 31(1): 1-4.Sha Xiaodong，Chen Xiaohui，Huang Kun, et al. Analysis on Factors Affecting Stress in Gas Pipeline[J]. Natural Gas and Oil, 2013, 31(1): 1-4.

[2]GB 50350-2005，油气集输设计规范[S].GB 50350-2005, Code for Design of Oil-Gas Gathering and Transportation Systems[S].

[3]GB 50251-2003，输气管道工程设计规范[S].GB 50251-2003, Code for Design of Gas Transmission Pipeline Engineering[S].

[4]GB 50028-2006，城镇燃气设计规范[S].GB 50028-2006, Code for Design of City Gas Engineering[ S].

[5]秦 光.人口稠密地区的输气管道设计[J].天然气与石油，2010, 28(6): 1-3.Qin Guang. Design of Gas Pipelines in Densely Populated Areas[J]. Natural Gas and Oil, 2010, 28(6): 1-3.

[6]GB/T 20801.3-2006，压力管道规范 工业管道 第3部分:设计和计算[S].GB/T 20801.3-2006，Pressure Piping Code—Industrial Piping—Part 3: Design and Calculation[S].

[7]JB/T 2768-2010，阀门零部件 高压管子、管件和阀门端部尺寸[S].JB/T 2768-2010，Components of Valves-High Pressure Pipes, Fittings and End-to-End Dimensions of Valves[S].

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