基于环境低温条件下天然气管道优化设计

王坤　马振乾

摘 要：天然气管道最冷月平均温度 -20.6 ℃，极端最低温度 -40℃，管道设计温度 -25 ℃，设计压力10 M Pa。天然气管道采用 A、B 线并行的敷设方式，该管道已实现双线通气，有效缓解了天然气供应紧张的局面。通过对天然气管道项目工艺设计中钢管低温脆性、管道水压试验、阀门压力等级和材质选择、放空立管防雨水功能 4 个代表性问题进行分析，针对目前天然气管道项目放空立管防雨水存在的缺陷而提出放空立管设计方案，对其后续工程或其他类似项目具有指导意义和参考价值。

关键词：天然气管道;低温脆性;材质选择;优化设计

1 钢管的低温脆性

为了防止管道中可能存在的污水在 0 ℃以下结冰而涨裂管道，对站场的排污管道采取保温和电伴热措施。冬季时，在正常运行工况下，站场管道内有天然气流动，能够不断补充管壁散失的热量，维持管道温度不低于0 ℃，不会发生低温脆性断裂;但是，因事故或检修需要，天然气管道停输时，管内天然气停止流动，管道温度将很快降至大气温度。若钢管技术规格书对可能出现的低于设计温度的温度未提出控制材料的低温韧脆性要求，或厂家由于生产周期和工程施工进度等原因无法给出韧脆性转变点，为避免管道在低温时发生脆性断裂，应对所有地上管道进行保温。采取保温措施，可以有效降低温度下降速率，若能够在管道温度下降至设计温度前完成管道检修，该做法值得推荐;但若温度下降至设计温度以下，仅靠保温将无法解决材料的低温脆性断裂问题。ASM E B31.3 提出应力比的概念 ，即管道组合应力与材料许用应力的比值。当钢管的应力低于许用应力时，可以进一步降低冲击试验的温度，应力比越小，可以降低的温度幅度越大。在最低设计温度不低于-104 ℃的前提下，当应力比低于 0.3 时，可以免除钢管的低温冲击试验。ASM E 锅炉和压力容器规范对于碳钢和低合金钢的压力容器提出了类似概念。

因此，针对停输情况下放空管道以外的地上管道，确定如下操作原则：①停输时，地上管道系统内的天然气在其降至最低设计温度前及时放空，最大限度地降低管路和设备内的组合应力，使其在极端的大气低温条件下不会出现脆性断裂。②应在管道温度达到设计温度时进行启动输气操作。保温措施可以延迟管道降低至最低设计温度的时间，为管道不放空即能完成检修提供时间保证，但若无法及时完成检修，则应按照以上原则执行。

2 水压试验

水压试验可以提供预应力，使钢管中存在的裂纹钝化，使裂纹尖端处于受压缩状态，从而提高材料韧性。同时，水压试验可以揭示管道的原有缺陷。以天然气管道某站直径 323.9 m m 的钢管为例，站场设计压力 10 MPa，钢管材质为API5L GR.B，依据 ASM E B31.8 的规定，该站属于3 级地区（设计系数取 0.5），钢管壁厚计算值为 13.43 m m ，最终取值为 14.3 m m 。工厂水试压按照 12.8 M Pa 进行，满足API 5L 管道规范标准试验压力的要求 [3] 。但是，根据ASM E B31.8 中 841.342（b）的规定：对位于3 级或者4 级地区内的干线或集管进行静水压试验，试验压力不低于最大操作压力的 1.4 倍。该站场最大操作压力为 9.8 M Pa，因而现场静水压试验的试验压力应不低于 13.72 M Pa。

专家认为，工厂内水试压是工厂内部质量控制程序，无法为管道设计提供依据，工厂设计系数取 0.5 相当保守;现场若设计压力取13.72 M Pa，壁厚14.3 mm ，代入壁厚计算公式，反推出来的设计系数为0.644。因此，若钢管质量合格，无论工厂内水试压压力高低，钢管均应能够承受 13.72 M Pa 的压力。在实际工作中，必须严格按照相关标准进行现场强度试压。为了确保钢管在管道施工完毕后进行强度试验时万无一失，设计方在向钢管厂家提交的技术条款中应告知现场进行强度试验的压力和所维持的时间，以便厂家就此条款重新确定工厂内的水试验压力;另一方面，钢管厂家在投标时也有必要将工厂内的水试验压力指标列入标书中，以供设计方和业主审查。

3 阀门压力等级和材质选择

在天然气管道工程项目所有阀门的技术规格书中，均要求阀门必须满足环境温度和操作条件，检验与测试均需遵循 API 598、ASM E B16.34 以及其他相关标准。该工程个别站场阀门设计温度65 ℃，设计压力 10 M Pa（压力等级 Class 600），所涉及阀门主要是法兰端和焊接端阀门。ASM E B16.34 规定：若阀门材质选择的是压力温度额定值表 2-1.1 第 1.1 组所列材料，如A105，A216 GR.W CB，标准磅级的 Class 600阀门在 65 ℃温度条件下将无法满足设计温度和设计压力要求。为解决该问题，推荐如下方案：①提高阀门的磅级，即采用 Class 900 标准磅级阀门;②选择特殊磅级 Class 600 阀门;③选择 Class 600 标准磅级阀门，Class 600 标准磅级阀门材质需选用 ASM E B16.34压力温度额定值表 2-1.2 第 1.2 组中所列材料，例如A216 GR.W CC，A350LF6 CL.2，这些材料制作的阀门在 150 ℃温度下仍能承受 10 M Pa 的压力;④采用中间额定阀门，按照非强制型附录 B 确定压力-温度额定的方法，适当增加阀门壁厚，提高设计压力以满足设计要求。在计算过程中，采用插值法确定中间压力-温度额定值，但是 ASM E B16.34 第 2.1（f）指出，对于法兰连接阀门，不允许对压力-温度额定值进行磅级之间插值。阀门厂家可以根据实际设计和生产能力，从经济利益和供货周期两方面考虑选择合适的方案。但是，在天然气管道项目投标书中，不少厂家选择了A105、A216 GR.W CB Class 600 标准磅级阀门，也有厂家提出对法兰连接的阀门选用中间磅级。作为专业的阀门生产厂家，对阀门的标准规范应有深刻的理解，在设计阀门的同时应仔细阅读阀门技术规格书和数据单中所提到的各种要求，才能设计出满足设计要求的阀门。如果厂家确有设计实力，可以对阀门进行非标设计，但非标阀门生产周期一般比标准阀门长，价格偏贵，故不在推荐之列。

4 放空立管防雨水功能

防雨盖和支承架选用厚 4 m m 的钢板制作，旋转轴由 ？ 14 圆钢制作而成。加设防雨盖目的在于防止雨水进入放空管道，若放空管道没有低点污水收集装置，污水则无法排出。放空立管的防雨结构设计存在以下缺点：防雨盖通常为关闭状态，当管道放空时，靠天然气的冲击力将其打开，故防雨盖围绕旋转轴旋转时需保持灵活，不能出现卡死工况;防雨盖无法自动复位，打开后必须人工复位，一般放空立管高度为3～15 m ，人工复位困难;防雨蓋和支承架材质均为碳钢钢板，复位时钢板的撞击可能打出火花，存在安全隐患。

针对天然气管道项目工艺设计中钢管低温脆性、管道水压试验、阀门压力等级和材质选择、放空立管防雨水功能 4 个代表性问题进行了分析。在低温时，通过采取保温措施、控制材料低温韧性或制定相应站场操作原则，避免管道出现低温脆性断裂;关于管道水压设计，设计方在提交给钢管厂家的技术条款中应增加现场强度试压的压力值和试压所维持时间的信息项，钢管厂家投标时应将工厂内的水试验压力指标列入标书中;在选择阀门压力等级和材质方面，采用标准磅级、特殊磅级、提高磅级或者中间额定 4 种方案，以解决阀门不满足设计压力和设计温度要求的问题;针对目前项目放空立管防雨水存在的缺陷，提出了新的放空立管设计方案。

参考文献：

[1] 环境地温对长输天然气管道工艺优化的研究[J]. 杨洪玲.  化学工程与装备. 2016（12）