城市天然气管道工程中弯管和弯头的选用_工程实践

摘要

摘要：分析了管道弹性敷设方式、热煨弯管、冷弯弯管的特点，探讨了压力大于1.6MPa和压力不大于1.6MPa的城市天然气管道工程中弯管和弯头的选用。关键词：天然气管道；弯头；弹性敷设；热

摘要：分析了管道弹性敷设方式、热煨弯管、冷弯弯管的特点，探讨了压力大于1.6MPa和压力不大于1.6MPa的城市天然气管道工程中弯管和弯头的选用。

关键词：天然气管道；弯头；弹性敷设；热煨弯管；冷弯弯管

Selection of Bend and Elbow in City Natural Gas Pipeline Project

ZHU Lin，YANG Yonghui，YANG Jiong

Abstract：The elastic installation mode of pipeline as well as the characteristics ot hot-bending bend and cold-bending bend are analyzed.The selection of bend and elbow in city natural gas pipeline project with pressure of more than and equal to or less than 1.6MPa is discussed.

Key words：natural gas pipeline；elbow；elastic installation；hot-bending bend；cold-bending bend

1 概述

随着城市天然气用气量的不断增加，为提高城市天然气输配管网的输送能力，各城市加快了天然气管道尤其是高压力大管径天然气管道的建设。GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》将燃气输配系统的压力级制分为7级，对于设计压力大于1.6MPa的天然气管道工程设计，引入了地区等级概念并规定了相应的强度设计系数，同时规定了管道附件的设计和选用要求。用来改变管道走向的弯头、弯管作为重要的管道附件，其形式、材料、强度、加工方式以及敷设方式对管道工程的设计和施工有重要影响。笔者根据GB 50028—2006的要求和实际工程经验，对管道工程中弯头、弯管的选用进行分析。

2 输送压力大于1.6MPa的天然气管道

① 管道敷设方式

随着地形的变化，天然气管道有时需要改变走向，因此敷设管道时要相应地做竖向弯曲和平面弯曲，管道弹性敷设是改变走向的形式之一。GB 50251—2003《输气管道工程设计规范》要求，弹性敷设管道的曲率半径应满足管道强度要求，且不得小于钢管外直径的1000倍。竖直面上弹性敷设管道的曲率半径应大于管道在自重作用下产生的挠度曲线的曲率半径，其曲率半径应满足式(1)。

式中ρ——管道弹性弯曲的曲率半径，m

α——管道的转角，(°)

D——管道的外径，cm

管道按水平方向的弹性弯曲敷设时，管道组焊时依据设计要求形成的管道走向；管道按竖直方向的弹性弯曲敷设时，管道组焊时依据设计要求的管沟竖直曲面形成管道走向。对于城市天然气管道工程，从结构设计、施工和生产管理方面来看，弹性敷设比较经济合理，但由于曲率半径要求较大，弹性敷设的采用受制于地形，比如一般道路的曲率半径都比较大，随道路敷设的天然气管道采用弹性敷设方式能避免采用很多弯头或弯管，施工方便且节约费用。在远离主城区或规划城区的平原敷设燃气管道，采用弹性敷设一般都具备条件，但在障碍物较多的城区内或地形起伏较大的丘陵地带就较难实现，管道不能随地形做等埋深的垂直放线弯曲，造成管道悬空或局部埋深不足。为了解决这些问题必须增加土方量，这些地带可不采用弹性敷设方式，而选用热煨弯管或冷弯弯管来改变管道方向。

② 热煨弯管

对于设计压力大于1.6MPa的天然气管道，目前热煨弯管使用较多。热煨弯管用碳钢及低合金钢无缝钢管或焊接钢管通过加热弯制工艺制作。相对于冷弯弯管，热煨弯管具有生产效率高、弯曲角度不受限制、成型质量好等优点。由于管口圆度好，必要的热处理消除了残余应力，而且壁厚减薄率可以控制到低于10%，因此保证热煨弯管的质量成为业主等关注的重点。壁厚减薄率^[1]C按照式(2)进行确定。

式中C——壁厚减薄率

δ₁——母管实际壁厚的最小值，mm

δ₂——弯管外弧侧最薄处壁厚，mm

对于设计压力大于1.6MPa的天然气管道，由于要考虑地区等级对管道壁厚的影响，有时还要考虑清管通球的需要，弯曲角度不受常规角度限制，可根据实际情况确定，按照SY/T 5257—2004《油气输送用钢制弯管》制造的弯管均能满足以上要求。热煨弯管也有一些缺点：a.制作过程中，会出现外弧侧管壁减薄的情况，因此需要增加母管的壁厚。b.部分横截面是椭圆形，弯曲段横截面圆度控制不好会影响通球。c.弯曲段和直管段之间存在加热温度过渡区。d.热煨弯管需要提前订货，因为加工工艺决定其只能在工厂预制，若订货时提供的弯管加工清单有误或现场情况与图纸设计情况不符，则必须要按照实际需要的角度再次到工厂预制，会耽误施工工期。因此选择热煨弯管必须考虑全面且保证弯管角度准确。

③ 冷弯弯管

冷弯弯管是由弯管加工机现场弯制而成。要保证弯管加工机的最小弯曲半径大于18倍的管道外径，根据应变设计理论，弯曲的半径由管径决定。应变设计理论的基本原则是当管道设计应变大于容许应变时，则管道失效；当管道设计应变小于容许应变时，则管道安全。目前大管径高压力天然气管道一般都采用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》管材，其特点是强度高，但是随着强度的增加，管材的延展性能下降。冷弯弯管应变能力不仅与管径相关，而且与管道的变形能力等参数有关。设管道外径为D，，单位为m。对于采用x系列的管线钢，研究表明，API 5L X42钢级以下的管道可以采用3°/D₁(最小曲率半径相当于20D₁)准则；X42～X65钢级的管道可以采用1.5°/D₁(最小曲率半径相当于40D₁)准则；X70钢级或强度更大的管道可以采用1°/D₁(最小曲率半径为60D₁)准则。根据不同材质、不同规格的管线钢采用的准则能确定出冷弯弯管的最大弯随角度和最小曲率半径^[2]。

假设每根钢管长12m，由于冷弯弯管两端要各留2m长的直管段，故弯曲部分的长度为8m。对于X42钢级以下的管道，冷弯弯管的最大弯曲角度为8×(3°/D₁)；对于X42～X65钢级的管道，冷弯弯管的最大弯曲角度为8×(1.5°/D₁)；X70管道或强度更大的管道，冷弯弯管的最大弯曲角度为8×(1°/D₁)。

以北京市六环路天然气管道工程为例，外径为1016mm，设计压力为4.0MPa，钢管的材质采用API 5L X70。管道的冷弯弯管可取1°/D₁准则，即最小曲率半径为60D。，最大弯曲角度为8×(1°/D₁)≈8°。

3 输送压力不大于1.6MPa的管道工程

对于设计压力不大于1.6 MPa的城镇天然气管道工程，按照GB 50028—2006的要求，计算管道壁厚时不需要考虑地区等级对强度设计系数的影响，可选用按GB/T 12459—2005《钢制对焊无缝管件》和GB/T 13401—2005《钢板制对焊管件》制造的标准化弯头^[3]，曲率半径一般采用1.5倍外径。对于以后可能需要清管通球的管道，一般采用曲率半径大于或等于4倍外径的弯管。这些弯头和热煨弯管是成品，故采购方便且成本较低，但需要采购方根据需求指定管件的壁厚。

4 结论

对于压力大于1.6MPa的城市天然气管道，在采用弹性敷设方式时，由于地形条件的制约，弹性敷设水平面和竖直面上的曲率半径受到限制。为了适应地形的变化和避开障碍物等，特设置弯管。其中，冷弯弯管具有灵活、方便、经济等特点，但冷弯弯管的曲率半径、弯曲角度有限制，且要求施工单位必须具备弯管加工机。热煨弯管的壁厚和弯曲角度不受限制，生产效率高，适用于集中采购订货，但如果施工时弯管角度发生变化，需要重新到工厂预制，会耽误工期并产生经济损失。

因此，对于压力大于1.6MPa的城市天然气管道，如能满足条件，应优先采用弹性敷设，其次考虑冷弯弯管，最后选择热煨弯管。对于压力不大于1.6MPa的城市天然气管道，可选用标准弯头，但需注意管道有无通球要求。

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.

[2] 邱鸣.城市燃气管线冷弯弯管角度范围[J].上海煤气，2009(5)：14-15.

[3] 李奎.钢质天然气管道弯头壁厚设计[J].油气储运，2009，28(11)：24-26.

(本文作者：朱林杨永慧杨炯北京市煤气热力工程设计院有限公司北京 100032)