一种常用的油气输送管道壁厚设计方法

高博翔，王　博，苑仁涛

(1.中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司　北京　100085；2.中国石油集团海洋工程有限公司工程设计院　北京　100028)



·开发设计·

一种常用的油气输送管道壁厚设计方法

高博翔1，王博2，苑仁涛1

(1.中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司北京100085；2.中国石油集团海洋工程有限公司工程设计院北京100028)

摘要：在进行油气输送管道设计时，管道的壁厚设计直接影响管道输送安全和管道投资数额。介绍了基于ASME B31.3 Process Piping壁厚计算式的管道壁厚设计方法。两个设计实例详细地说明了壁厚的计算及选择方案，对于油气长输管道及站场集输管道的管道壁厚设计具有一定应用价值。

关键词：油气输送；管道；壁厚设计

0引言

在进行油气输送管道壁厚设计时，通常需要根据输送介质、温度、压力等条件选择相应管材、确定管线号及管道腐蚀等级，进而根据上述基础参数进行壁厚计算及选择[1]。本文主要介绍了油气输送管道及管材分类方法，进而说明了以ASME B31.3 Process Piping 为基准的壁厚计算及选择方法。

1油气输送管道分类

油气输送管道的分类方法和依据标准多种多样。对于壁厚计算而言，需要确定管道的加工成型方式，进而确定相关参数的取值。

根据API Spec 5L《Specification for Line Pipe》[2]，钢管按加工方式可分为无缝钢管和焊接钢管。无缝钢管是由热成型工艺加工而成的没有焊缝的钢管。焊接钢管按焊接方式可分为连续焊接钢管、电阻焊钢管、埋弧焊钢管、激光焊钢管以及熔化极气体保护电弧焊钢管；按焊接频率可分为高频和低频焊接钢管；按焊缝类型可分为直缝和螺旋缝焊接钢管；按焊缝数量可分为单缝和双缝焊接钢管。

2油气输送管道管材分类

油气输送管道材料主要分三大类：碳钢、铸铁和合金钢。

根据碳在铁中的存在形式，碳钢组织可分为铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体、马氏体[3]。总的来说，沿所述顺序，这些碳钢组织的强度逐渐增大，塑性和韧性逐渐降低。铸铁主要分三类：白口铸铁、灰口铸铁、麻口铸铁。最常用的是灰口铸铁。按照石墨组织形式的不同，灰口铸铁又分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和高硅铸铁四类[3]。沿所述顺序这些铸铁的强度依次减小。合金钢是相对碳钢而言的，在碳钢中加入不同种类、不同含量的合金元素可形成具有不同特性的合金钢。

一般而言，油气输送管道材料是上述材料中的一种。大部分石油工业领域常用的管道的管材标准和试验方法均可由ASTM相关标准或API 5L查得。

3壁厚计算

根据ASME B31.3 Process Piping 中的壁厚计算式[4]：

tm=t+c=t+cA+cM

c=cA+cM

式中，

t为设计压力下的壁厚计算值，mm；

c为机械裕量(cM)及侵蚀与腐蚀裕量(cA)之和，mm；

cA为侵蚀与腐蚀裕量，mm。腐蚀裕量通常的计算公式是cA=v×F，式中v为腐蚀速率，F为设计年限。v的算法在许多文献中均有描述[5]，一般需根据介质组分及运行条件来计算。通过腐蚀裕量的计算值进而确定不同管线的腐蚀等级。

cM为机械裕量(或出厂负偏差)，mm。对于螺纹部分(小于24 in(1 in=25.4 mm)的管道)的机械裕量，用螺纹高度h表示(h的值可根据每英寸螺纹数查ASME B1.20.1[6]表1得出或根据式h=0.866025/n算得)；对于无缝管或焊接管，机械裕量(即出厂负偏差)的计算方法由API 5L 表11可得。

tm为最小所需壁厚，mm。

p为设计内压(表压)，psi。1 psi=0.006 9 MPa。

D为管道外径，mm。根据不同管线的管线尺寸，查ASME B36.10M 表1可得管道外径。

S为材料的许用应力，psig。根据管道材料及所选管材所依据标准结合设计温度，查ASME B31.3表A1可得。

E为质量系数，无量纲。根据管道类型及所依据标准，查ASME B31.3表A1-A或A-1B可得。

W为焊缝折减系数，无量纲。根据管材及设计温度查ASME B31.3表302.3.5可得。当设计温度高于ASME B31.3表A1中相应管材许用应力所对应的温度上限时，需考虑焊缝折减系数；当设计温度低于表302.3.5所列最低温度时，W=1。

4壁厚选择、壁厚类别及Sch号

由计算所得最小所需壁厚向上圆整，根据ASME B36.10M[7]表1选择相应壁厚、壁厚类别及Sch号。壁厚类别由STD、XS、XXS三种，一般对应着相应的壁厚选择值和Sch号。对于计算壁厚超过标准中所列壁厚值的情况，应同厂家进行定制生产。

对于公称直径小于24 in的小口径管道，Sch号划分较细，分为10、20、30、40、60、80、100、120、140、160等。对于公称直径为24～36 in的中口径管道，Sch号只有10、20、30、40四种。对于公称直径大于36 in的大口径管道，不设Sch号，只需选择壁厚值和壁厚类别。

另外，对于不锈钢管，Sch号及壁厚的选择通常根据ASME B36.19M[8]表2A选取，壁厚号加尾缀S。通常情况下，由下列标准规定的管材需要根据ASME B36.19M选择壁厚及Sch号：ASTM A312、ASTMA358、ASTM A376、ASTM A409。

5壁厚计算及选择实例

实例1：某油气长输管道的设计内压为12 MPa，公称直径为1 219 mm，使用管材为API 5L规定的B级螺旋焊缝钢管，设计输送温度为-20～100℃，根据管道腐蚀等级确定的腐蚀裕量为3 mm。

根据上述的壁厚计算方法可得出壁厚计算值为58.32 mm，超出了ASME B36.10M所规定的壁厚选择值。

实例2：某站内油气输送管道的设计内压为1.6 MPa，公称直径为508 mm，使用管材为ASTM A106[9]规定的B级无缝钢管(有螺纹端)，设计输送温度为-20～100℃，根据管道腐蚀等级确定的腐蚀裕量为1.5 mm。

根据上述的壁厚计算方法可得出壁厚计算值为4.93 mm，螺纹端壁厚计算值为5.04 mm，根据ASME B36.10M选择壁厚值为6.35 mm，壁厚等级为Sch10。

6结论与建议

本文详细叙述了基于ASME B31.3 Process Piping壁厚计算式的管道壁厚设计方法。通过壁厚计算值来选择管道壁厚值和Sch号。通过两个计算实例可看出，管道壁厚的计算值向上圆整后可对应相应规范中的Sch号，从而方便标准化生产。对于一些特殊管道，壁厚计算值有可能超出规范中的壁厚值；这时，就需要管道生产厂家进行定制生产。

ASME B31.3是在基本壁厚计算式的基础上引入了相关的修正系数对不同管材的特性进行了修正。该壁厚设计步骤相比于国标体系的壁厚计算式的主要区别在于修正系数的定义和取值有所区别。GB50251《输气管道工程设计规范》[10]和CSA Standard Z662-03《 Oil and Gas Pipeline Systems》[11]中均对地区等级进行了定义，从而引出了相关的设计系数。因此，在实际应用中，应根据具体的条件及相应的规范标准进行设计。

参 考 文 献

[1] 王红菊,祝悫智,张延萍.全球油气管道建设概况[J].油气储运,2015,34(1): 15-18.

[2] 唐治国,王文江,李龙，等.油气长输管道壁厚计算及选用[J].管道技术与设备,2011,19(6): 52-53.

[3] American Petroleum Institute.Specification for Line Pipe: API SPEC5L- 44 EDITION [S].

[4] 谭蔚.化工设备设计基础[G].天津：天津大学出版社，2014.

[5] American Society of Mechanical Engineers.Process Piping: ASME B31.3-2010 [S].

[6] 刘小宁.钢制压力容器与管道腐蚀裕量的可靠性设计[J].化肥设计,2004,42(5): 25-27.

[7] American Society of Mechanical Engineers.Pipe Thread,General Purpose (INCH): ASME B1.20.1-1983 [S].

[8] American Society of Mechanical Engineers.Welded and Seamless Wrought Steel Pipe: ASME B36.10M-2000 [S].

[9] American Society of Mechanical Engineers.Stainless Steel Pipe: ASME B36.19M-1985 [S].

[10] American Society for Testing Material.Standard Specification for Seamless Carbon Steel Pipe for High-Temperature Service: ASTM A106-1999 [S].

[11]中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.输气管道工程设计规范: GB50251-2015 [S].北京: 中国计划出版社,2015.

[12] Canadian Standards Association.Oil and Gas Pipeline Systems: CSA Standard Z662-03 [S].

A Common Wall Thickness Design Method for Oil and Gas Transmitting Pipeline

GAO Boxiang1，WANG Bo2，YUAN Rentao1

(1.China Petroleum Engineering Company Limited，Beijing Company,Beijing,100085,China 2.CNPC Offshore Engineering Company Limited,Engineering Design Institute,Beijing,100028,China)

Abstract：During the design of oil and gas transportation pipeline,the wall thickness affects both the safety and the investment of pipeline.The wall thickness design method is introduced based on the formula of ASME B31.3 Process Piping.The wall thickness calculation and selection scheme are described in detail through two practical design examples,which can be applied to the wall thickness design of oil and gas transmitting trunk line and station gathering pipeline.

Key words：oil and gas transmitting;pipeline;wall thickness design

第一作者简介：高博翔，男，1990年生，助理工程师，2015年硕士毕业于中国石油大学(北京)油气储运工程专业，现主要从事管道设计方面的研究工作。E-mail:gaoboxiang@cpebj.com

中图法分类号：TE832

文献标识码：A

文章编号：2096-0077(2016)03-0021-03

(收稿日期：2016-03-07编辑：葛明君)