天然气高压管道弯管壁厚的计算_工程实践

摘要

摘要：通过对GB 50251—2003《输气管道工程设计规范》、GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》中关于弯管的相关要求、壁厚增大系数、壁厚减薄率等参数进行分析，确定弯

摘要：通过对GB 50251—2003《输气管道工程设计规范》、GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》中关于弯管的相关要求、壁厚增大系数、壁厚减薄率等参数进行分析，确定弯管壁厚的计算方法。

关键词：高压管道；弯管；壁厚增大系数；壁厚减薄率

Calculation of Bend Wall Thickness of Natural Gas High-pressure Pipeline

ZHOU Chun，SHI Rongjian，WANG Yiwen

Abstract：Through the analysis of the relevant requirements for bend in Code for Design of Gas Transmission Pipeline Engineering(GB 50251—2003)and Code for Design of City Gas Engineering (GB 50028—2006)as well as the wall thickness increase coefficient and wall thickness thinning rate，the caleulation method of bend wall thickness is deterrnined.

Key words：high-pressure pipeline；bend；wall thickness increase coefficient；wall thickness thinning rate

1 概述

天然气高压管道经常采用弹性敷设、冷弯弯管和热煨弯管来实现管道在水平或竖向的转角。本文主要通过对制作弯管的直管壁厚的计算、直管的热处理状态引起的屈服极限的变化、环向应力分布不均匀引起的壁厚增大系数、弯制过程中引起的壁厚减薄率等因素进行分析，从而确定弯管的计算壁厚。

2 直管壁厚的计算

无论是冷弯弯管还是热煨弯管均是采用直管弯制而成，因此，要计算弯管的壁厚首先应确定直管的壁厚。GB 50251—2003《输气管道工程设计规范》和GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》中关于直管的壁厚计算公式是一致的，均是采用弹性失效准则，以最大剪应力理论推导而得。直管壁厚应按下式进行计算：

式中δ——钢管计算壁厚，mm

p——设计压力，MPa

D——钢管外径，mm

σ_s——钢管的最低屈服强度，MPa

φ——焊缝系数，按规定选取1.0

F——强度设计系数

3 直管屈服强度对弯管壁厚的影响

在进行直管壁厚的计算时，屈服强度σ_s是一个很重要的参数。管道材质不同，其屈服强度则不同。管道交货的热处理状态不同，其屈服强度也不同。尤其值得注意的是管道交货的热处理状态。

GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》第6.4.7条规定：对于采用经冷加工后又经热处理的钢管，当加热温度高于320℃(焊接除外)或采用经过冷加工或热处理的钢管煨弯成弯管时，则在计算该钢管或弯管壁厚时，其屈服强度应取该管材最低屈服强度(σ_s)的75%。

GB 50251—2003《输气管道工程设计规范》第5.1.5条与GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》的第6.4.7条的规定是一致的。该条文指出：钢管的冷加工(控轧、冷扩等)，由于应变硬化现象和钢管形变热处理，管材的屈服强度能提高20%～30%。但由于形变提高的屈服强度会随着回火温度的提高而逐渐消失。一般在300～320℃出现一个大的相组织变化，在480～485℃强化的效果基本消失。故规范强调冷加工的管材又进行热处理时，其屈服强度应取冷加工管材屈服强度的75%。

通常，天然气高压管道采用符合GB/T 9711.2—1999《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第2部分：B级钢管》质量标准的钢管。以L360钢管为例，该标准中对L360有3种供货方式，分别为L360NB(正火或形变正火)、L360QB(淬火加回火)和L360MB(形变热处理)。该标准中的第7.3条注8指出，在对以淬火加回火或形变热处理状态交货的钢管进行热加工成型和(或)随后进行现场热处理时会出现力学性能的不良变化。该标准的第3.3.2条指出，形变热处理是一种形变过程。在此过程中，最终形变在一定温度范围内完成，使得材料具有单独采用热处理无法达到或重复的某些性能。若随后加热至580℃以上会降低强度值。

对于冷弯弯管而言，制作过程没有采用二次热处理。因此，管道交货状态而引起的屈服强度变化对其壁厚的计算没有影响。

对于热煨弯管而言，管子煨弯的加热温度一般为800～1000℃，对于形变热处理状态的钢管，热弯过程必然使其强度有不同程度的降低。因此，对采用形变热处理钢管作为母管的热煨弯管，其壁厚的计算需注意母材的供货热处理状态。即不能以冷加工后的钢管机械性能σ_s作为成品热煨弯管的σ_s指标，而应以冷加工后的钢管机械性能σ_s的75%作为热煨弯管的σ_s指标。

4 壁厚增大系数对弯管壁厚的影响

根据GB 50251—2003《输气管道工程设计规范》第5.3.3条的规定，弯管的管壁厚度应按下式计算：

式中δ_b——弯头或弯管的管壁计算厚度，mm

δ——弯头或弯管所连接的直管段管壁计算厚度，mm

m——弯头或弯管的管壁厚度增大系数

R——弯头或弯管的曲率半径，mm

D——弯头或弯管的外径，mm

此公式主要是考虑弯管在流体压力的作用下，产生的环向应力沿弯管截面的分布是很不均匀的。产生的最大环向应力在弯管的内凹点，该点应力比直管产生的环向应力大，其增大倍数称为内压作用下弯头的应力增大系数。因此，在计算弯管壁厚时，应在直管壁厚的基础上，考虑一个管壁厚度增大系数m。系数m是弯头的曲率半径R与外径D的函数。曲率半径R越大，弯头的管壁厚度增大系数m越小，弯头厚度需要的增大量越小，反之越大。

根据GB 50251—2003《输气管道工程设计规范》第4.3.13条的规定，冷弯弯管的最小曲率半径见表1。

表1 冷弯弯管的最小曲率半径

公称直径/mm	最小曲率半径
≤300	18D
350	21D
400	24D
450	27D
≥500	30D

根据GB 50251-2003《输气管道工程设计规范》第4.3.13条的规定，弯头的曲率半径应大于或等于其外径的4倍，并应满足清管器或检测仪器能顺利通过的要求。根据SY/T 5257—2004《油气输送用钢制弯管》第3.1条的规定，弯管的曲率半径不小于其外径的5倍。同时，根据GB 50470—2008《油气输送管道线路工程抗震设计规范》第7.1.4条的规定，需抗震设防的埋地管道，当设置热煨弯头时，其曲率半径不得小于6D；当设置冷弯管时，其曲率半径不得小于30D。

因此，天然气高压管道的冷弯弯管曲率半径通常取为30D，热煨弯管的曲率半径通常取为6D。根据式(3)计算的壁厚增大系数结果见表2。

表2 壁厚增大系数计算结果

弯管名称	弯管曲率半径R	壁厚增大系数m
冷弯弯管	30D	1.01
热煨弯管	6D	1.O5

5 壁厚减薄率对弯管壁厚的影响

壁厚减薄率是指母管实际壁厚和弯管外弧侧壁厚之差与母管实际壁厚之比。天然气高压管道进行弯制时，该管段将受力变形。管道的内侧管壁(即弯管的内弧侧)受压力，管壁由直线形变成圆弧形，管壁由于受压变短而增厚；管道的外侧管壁(即弯管的外弧侧)受拉力，管壁同样由直线形变成圆弧形，管壁由于受拉变长而减薄^[1]。管壁减薄会降低管道的强度。为保证弯管的强度能够符合要求，则弯管应具有一定的厚度。壁厚减薄率的数据，一方面是根据相关规范的要求确定，另一方面是通过理论分析推导的公式进行计算。

5.1 规范要求的经验数据

GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》中要求弯管的壁厚计算按GB 50251—2003《输气管道工程设计规范》的要求执行。而GB 50251—2003《输气管道工程设计规范》没有规定弯管的壁厚减薄率，只要求弯管最薄厚度不小于直管段的厚度，强度不低于管材的最小屈服强度即可。目前，SY/T 5257—2004《油气输送用钢制弯管》要求弯管的壁厚减薄率不得大于9%。

5.2 理论公式的计算数据

壁厚减薄率的理论计算公式是根据质量守恒原理，以外侧管壁的减薄量等于内侧管壁的增厚量为基础推导而出。文献[1]给出的弯管壁厚减薄率的计算公式如下：

式中C——弯管的壁厚减薄率

由此公式可以看出，弯管的壁厚减薄率主要取决于弯管的曲率半径。曲率半径尺越大，壁厚减薄率C越小，反之越大。根据式(4)计算的壁厚减薄率结果见表3。

表3 壁厚减薄率计算结果

弯管名称	弯管曲率半径R	壁厚减薄率/%
冷弯弯管	30D	1.64
热煨弯管	6D	7.69

考虑壁厚减薄率的弯管壁厚计算公式如下：

6 弯管壁厚的计算

本文以敷设在三级地区(强度设计系数F取0.4)，设计压力为4.0MPa，管道外径为406.4mm，材质为L360MB的城镇天然气高压管道为例进行冷弯弯管、热煨弯管的壁厚计算。

对于冷弯弯管，L360MB的屈服强度为360MPa，根据式(1)计算得到的直管壁厚为5.644mm；根据式(2)及表2的结果计算得到的冷弯弯管的壁厚为5.700mm；考虑到生产加工时的壁厚减薄率，根据式(5)及表3的结果计算得到的冷弯弯管的壁厚为5.795mm。

对于热煨弯管，L360MB的屈服强度应按360MPa的75%即270MPa考虑，根据式(1)计算得到的直管壁厚为7.525mm；根据式(2)及表2的结果计算得到的热煨弯管的壁厚为7.901mm；考虑到生产加工时的壁厚减薄率，根据式(5)及表3的结果计算得到的热煨弯管的壁厚为8.559mm。

计算得到的弯管的壁厚应根据相关规范的要求进行圆整，同时应与线路直管段的壁厚相匹配。

参考文献：

[1] 刘志仁，陶春辉.天然气高压管道弯管壁厚减薄率的确定[J].煤气与热力，2011，31(4)：B04-B05.

(本文作者：周春¹ 时荣剑² 汪宜文¹ 1.中机国际工程设计研究院有限责任公司江苏南京 210042；2.东南大学建筑设计研究院江苏南京 210096)