浅谈原油长输管道管材及壁厚选择

浅谈原油长输管道管材及壁厚选择

王伟1，刘琼2

（1.深圳市城市公共安全技术研究院有限公司，广东 深圳 518000）

（2.广东中化石油化工设计有限公司，广东 广州 510700）

摘要：对于原油埋地长输管道系统，管线系统的安全运行至关重要。在管道设计时需要对不同管材类型进行比较，结合管道运行工况选择合理的壁厚等级，并进行相应的强度及稳定性校核。

关键词：长输管道；管材；壁厚

引言

管道是长距离输送管道系统设计的重要组成部分，输油管道多采用地下敷设的方式。随着油品输送距离和输量增加，管道输送压力不断增高，管线设计时，根据管道工艺设计条件并结合技术经济比较，选择合理的管材及管道壁厚尤为重要。

1 钢管类型

国内外油气管道工程所使用的钢管主要有：直缝埋弧焊钢管（LSAW）、螺旋缝埋弧焊钢管（SSAW）、直缝高频电阻焊钢管（ERW）和无缝钢管（SML）。

无缝钢管（SML）是用钢锭或实心管坯经穿孔和轧制等程序制成，管子无焊缝，性能优异，但是价格比较贵，一般在小口径管道工程中使用。

直缝埋弧焊钢管（LSAW）是将钢板在模具或成型机中压（卷）成管坯，采用UOE、JCOE或HME方式并扩径程序制成。其焊缝的韧性、塑性、均匀性和致密性较好。制管价格较贵，管材价格高。

螺旋缝埋弧焊钢管（SSAW）焊缝熔敷填充金属，焊缝比较长，相对于直缝钢管更易出现缺陷，防腐质量不易控制。管材价格相对于无缝钢管便宜。

直缝高频电阻焊钢管（ERW）是由带钢经预弯、连续成型、焊接、热处理、定径等工序后成型。ERW钢管外观质量缺陷较少，生产成本比无缝钢管（SML）低很多。目前，国产ERW钢管质量已有很大提高，应用范围不断扩大，广泛应用在长输管道线路工程。

近些年我国制管业及冶金业随着管道工程的建设，已经迅速发展起来，钢管质量有了很大的保证，国内钢管厂家对各种管型的生产能力一般为：

螺旋缝埋弧焊钢管 ≥ DN200；

直缝埋弧焊钢管 ≥ DN400；

直缝高频电阻焊钢管（ERW）DN125～DN600；

无缝钢管 ≤DN300，（直径＞ DN300 的钢管生产厂家少且价格高）。

根据对国内钢管生产能力和价格咨询，可知：

1）国内的直缝埋弧焊钢管价格高于螺旋缝埋弧焊管与直缝高频电阻焊钢管；

2）国内的无缝钢管价格略高于螺旋缝埋弧焊管与直缝高频电阻焊钢管；

3）管径≤DN400 的螺旋缝埋弧焊钢管一般成材率低，价格也高。

输油管道上使用何种钢管主要取决于钢管是否满足管道的技术要求，同时还要考虑经济性以及我国制管业的现状。ERW钢管焊接时不需填充金属，并且加热速度快，使得焊接热影响区小，此外ERW 钢管还具备外形尺寸精度高等优点，其生产质量符合API5L 和GB/T9711标准的要求，在国内外油气管道工程中被广泛使用。

管材的选用应从管材性能、经济性、可焊性及运行时的事故抢修等方面进行考虑。一般来讲，钢级越低，可焊性越好，韧性越易达到要求，事故抢修较容易，但管材耗量大，安装时因焊接层数多，速度较慢；钢级高，焊接困难，需对韧性指标提出更高要求，管材价格相应偏高。

2 管壁厚度计算

根据《输油管道工程设计规范》(GB50253-2003)管道壁厚计算公式计算，输油管道的直管段的钢管管壁厚度由设计内压力、钢管直径和钢管许用应力决定。公式如下：

                                                            （1）

对弯管壁厚的选用，依据弯管段相邻直管段管壁厚度及其增大系数确定，按下式计算：

增大系数：

按公式计算所得管壁厚度应结合壁厚减薄要求，并根据钢管技术标准壁厚系列向上圆整选用。工程设计中埋地管道虽然都采用了防腐保护措施，但仍然不可避免存在腐蚀问题，为充分保证管线长期安全可靠运行，管道壁厚选用时可比计算壁厚大一级。不同材质等级的钢管计算出的壁厚也不同，还需要从管道强度及其稳定性方面进行综合考虑确定壁厚。

3 管道强度和稳定性校核

3.1强度校核

输油管道应计算由设计内压力、热胀冷缩和外部荷载所产生的应力，应使其小于管道、管道附件和与管道相连接设备的安全承受能力。

埋地输油管道的直管段的轴向应力应按下式计算：

                                                        （2）

对于埋地管道必须进行当量应力校核。埋地受约束热胀直管段，按最大剪切应力强度理论计算当量应力必须满足下式要求：

                                                         （3）

埋地管道出土端未设固定墩的管段，热胀当量应力不应大于钢管许用应力，应按下式进行计算：

                                                         （4）

3.2管道稳定性校核

3.2.1 管道的刚性

从运输、堆放、吊装、施工和运行的要求，根据国内外的研究结果，一般只有当管子直径与厚度比D/δ>140时，管子才会在正常运输、铺设、埋管情况下出现圆截面失稳。因此，为满足管道刚性要求，钢管的径厚比不应大于140。

3.2.2 管道轴向稳定性校核

轴向稳定校核要求管道承受的压力小于管道失稳时的临界压力。

加热输送埋地输油管道应验算其轴向稳定，轴向稳定验算应满足下列公式：

                                                                             （5）

埋地直线管段开始失稳时的临界轴向力，可按照下列公式进行计算：

                                                                      （6）

3.2.3 管道径向稳定性校核

为防止管道径向局部屈曲失稳，应控制管道径向变形量。对穿越公路的无套管管段、穿越用的套管及埋深较大的管段，均应按无内压状态验算在外力作用下管子的变形，控制径向变形量，其水平垂直方向的变形量不得大于管子外径的3%，验算公式如下：

                                                                 （7）

其中径向变形量计算式如下：

                                                         （8）

4 结论

我国长距离输送管道正处在高速发展的阶段，是油气输送的重要方式，管道安全平稳的运行尤为重要。管道设计时应从工况条件，管道强度及其稳定性等多方面进行综合考虑，合理选用管材及壁厚以确保管道系统的安全运行。

参考文献

[1]潘家华.我国管道钢管的发展方向[J].焊管,1998,21(4):17-18.

[2]叶德丰,韩学承,严大凡等.GB50253-2003.输油管道工程设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.