摘要：匯氣管是天然氣集輸和分配中必不可少的重要設(shè)備之一，具有壓力高、數(shù)量大的特點(diǎn)，因而要求匯氣管的設(shè)計(jì)要確保其安全可靠，包括對(duì)其壁厚計(jì)算公式的正確運(yùn)用、各個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)的正確理解和準(zhǔn)確計(jì)算。為此，以陜京二線(xiàn)京58地下儲(chǔ)氣庫(kù)群某10MPa采氣生產(chǎn)匯氣管的設(shè)計(jì)為例，論述了開(kāi)口模壓拔制高壓匯氣管的設(shè)計(jì)過(guò)程，分析了高壓拔制匯氣管直管段厚度的計(jì)算公式，比較了強(qiáng)度計(jì)算公式與SW6采用的強(qiáng)度計(jì)算公式的不同之處，指出了使用SW6進(jìn)行其直管段壁厚計(jì)算存在的弊端；結(jié)合具體拔制工藝，討論了主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定，并根據(jù)這些參數(shù)的關(guān)系繪制了具體的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)圖，對(duì)實(shí)例中的兩個(gè)主要支管進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，得出了各個(gè)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。對(duì)油氣長(zhǎng)輸管道工程同類(lèi)匯氣管的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高壓；匯氣管；拔制；安全；設(shè)計(jì)；壁厚計(jì)算；開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)；參數(shù)確定

??? 在天然氣集輸和長(zhǎng)輸管道工程中，需要使用大量匯氣管進(jìn)行天然氣的匯集和分配。作為壓力管道設(shè)備的匯氣管，在筒體開(kāi)口的結(jié)構(gòu)上有兩種形式，一類(lèi)是傳統(tǒng)的焊接結(jié)構(gòu)，另一類(lèi)是開(kāi)口模壓拔制結(jié)構(gòu)。焊接結(jié)構(gòu)即匯氣管上的開(kāi)口接管采用無(wú)縫鋼管或鍛制加厚接管與筒體焊接，其特點(diǎn)是制造工藝比較成熟、簡(jiǎn)單，適用于壓力比較低的匯氣管和壓力容器。拔制結(jié)構(gòu)即對(duì)筒體上開(kāi)口位置以加熱方式用模具在壓力下拔出一個(gè)開(kāi)口接管，接管與筒體是一個(gè)整體，其過(guò)渡區(qū)為圓弧過(guò)渡形式^[1]。對(duì)于拔制工藝，主管壁厚不僅要滿(mǎn)足高壓下的強(qiáng)度要求，還要為支管提供所有材質(zhì)并滿(mǎn)足開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)，因此，拔制工藝主管的筒體壁厚相對(duì)較厚；另外，受拔制水平的影響，開(kāi)口接管的拔制高度不會(huì)太高。但是對(duì)于高壓匯氣管，開(kāi)口模壓拔制結(jié)構(gòu)在外觀、結(jié)構(gòu)受力和焊接接頭缺陷的避免上都優(yōu)于開(kāi)口焊接結(jié)構(gòu)。為此，以陜京二線(xiàn)京58地下儲(chǔ)氣庫(kù)群某10MPa采氣生產(chǎn)匯氣管的設(shè)計(jì)為例，介紹開(kāi)口模壓拔制高壓匯氣管的具體設(shè)計(jì)過(guò)程，包括主要參數(shù)的計(jì)算、壁厚計(jì)算公式與GB150內(nèi)壓圓筒計(jì)算公式的比較以及重要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定。

??? 陜京二線(xiàn)京58地下儲(chǔ)氣庫(kù)群某10MPa采氣生產(chǎn)匯氣管安裝在地面上，對(duì)井場(chǎng)來(lái)氣進(jìn)行采收與匯集。匯氣管由主管(DN400)、橢圓形封頭以及1個(gè)氣體出口(DN350)、10個(gè)氣體進(jìn)口(DN150)和3個(gè)壓力檢測(cè)口(DN15)組成。主管外徑為426mm，長(zhǎng)度為18.6m；氣體出口外徑為356mm，端部直接與外部管道焊接；氣體進(jìn)口外徑為168mm，端部配有單面法蘭，與來(lái)氣管道通過(guò)法蘭連接。匯氣管工作介質(zhì)為油、氣、水三者混合物(含CO₂)，設(shè)計(jì)壓力為10MPa，設(shè)計(jì)溫度為80℃。因介質(zhì)中含CO₂，根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[23取腐蝕裕量C₂=3mm。由于該匯氣管長(zhǎng)徑比較大(18600/400=46.5)，不能像普通臥式容器一樣使用兩個(gè)對(duì)稱(chēng)布置的鞍座^[3]，故設(shè)備不帶鞍座，現(xiàn)場(chǎng)安裝在特制的基座之上。

??? 匯氣管的主管根據(jù)其直徑的大小，可以采用無(wú)縫鋼管或鋼板卷制成筒節(jié)組焊而成，該設(shè)計(jì)中主管為無(wú)縫鋼管，材質(zhì)為16Mn，因此，其焊接接頭系數(shù)取φ=1。由于匯氣管開(kāi)口是采用模壓成型。因此匯氣管的筒體壁厚應(yīng)由內(nèi)壓下的直管計(jì)算壁厚與開(kāi)口補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算所需的壁厚兩部分組成，其計(jì)算公式應(yīng)按ASME B31.8^[4]或GB 50251《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》^[5]規(guī)定執(zhí)行。另外，部分參數(shù)可參照SY/T 0518—2002《油氣管道鋼制對(duì)焊管件設(shè)計(jì)規(guī)程》^[6]以及SY/T 0609—2006《優(yōu)質(zhì)鋼制對(duì)焊管件規(guī)范》^[7]確定。

??? 根據(jù)GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》該拔制高壓匯氣管直管段計(jì)算壁厚按公式(1)計(jì)算：

式中：δ為鋼管計(jì)算壁厚，mm；p為設(shè)計(jì)壓力，MPa；D為鋼管外徑，mm；σ_s為鋼管的最小屈服強(qiáng)度，MPa；F為強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，按參考文獻(xiàn)[5]中的表4.2.3選取；φ為焊縫系數(shù)；t為溫度折減系數(shù)，溫度小于120℃時(shí)取1。

??? 經(jīng)過(guò)單位換算后，式(1)與文獻(xiàn)參考[4]中的直管段計(jì)算公式一致。當(dāng)溫度小于120℃、設(shè)計(jì)壓力不大于10MPa時(shí)，式(1)可簡(jiǎn)化為參考文獻(xiàn)[6]中的計(jì)算公式(8.2.3)。匯氣管安裝的地區(qū)等級(jí)為三級(jí)地區(qū)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)取F=0.5，該值與工藝專(zhuān)業(yè)所選取的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)一致。

??? 從式(1)可以看出，高壓拔制匯氣管采用的強(qiáng)度計(jì)算公式與GB150規(guī)定的普通壓力容器強(qiáng)度計(jì)算公式(SW6采用的計(jì)算公式)存在差異。主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

??? 1) 材質(zhì)16Mn在溫度為80℃，壁厚大于16mm時(shí)的屈服強(qiáng)度σ_s=310MPa，故Fσ_s=155MPa，與16Mn在該溫度下的許用應(yīng)力[σ]^t(163MPa)并不是同一個(gè)值。

??? 2) 一般情況下，在進(jìn)行拔制高壓匯氣管設(shè)計(jì)時(shí)，為了限制管壁厚度，給拔制工藝降低難度，都會(huì)在圖樣上注明“匯氣管筒體等的下料尺寸由制造廠決定，但最終成品尺寸應(yīng)滿(mǎn)足圖面要求，拔制成形后，主支管壁厚不得小于圖紙所標(biāo)注厚度”，此時(shí)，鋼材的厚度負(fù)偏差可以取C₁=0。然而，在使用軟件SW6進(jìn)行筒體強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，雖然鋼板的厚度負(fù)偏差可以指定為0，但對(duì)無(wú)縫鋼管的厚度負(fù)偏差，SW6自動(dòng)取為管子壁厚的12.5%，即C₁=12.5δ_n%，并沒(méi)有指定為0的功能。因此，用壓力容器強(qiáng)度計(jì)算軟件SW6進(jìn)行拔制高壓匯氣管的計(jì)算顯然是不合適的。

??? 3) 在該設(shè)計(jì)實(shí)例中，用式(1)計(jì)算出主管的計(jì)算厚度δ_r=13.74mm，而在相同條件下使用SW6計(jì)算出主管的計(jì)算厚度δ_r=11.71mm，由此可見(jiàn)，前者的計(jì)算厚度比后者的計(jì)算厚度大，安全系數(shù)更高。使用SW6進(jìn)行其直管段壁厚的計(jì)算存在一定的弊端。支管計(jì)算厚度δ_b的計(jì)算也存在同樣的問(wèn)題。

??? 因此，不宜使用SW6進(jìn)行拔制高壓匯氣管直管段的強(qiáng)度校核。

??? 因?yàn)樵搮R氣管的設(shè)計(jì)壓力為10MPa，在SY/T 0518—2002《油氣管道鋼制對(duì)焊管件設(shè)計(jì)規(guī)程》使用范圍內(nèi)，支管拔制與開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)可遵循本規(guī)范進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的確定。

2.2.1 支管最大拔出壁厚與名義壁厚(δ_nb)

??? 設(shè)主管的名義厚度為δ_nr，支管名義厚度δ_nb。考慮到拔制工藝，能拔出支管的最大壁厚為0.758δ_nr。根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算公式，計(jì)算出支管的計(jì)算厚度，加上腐蝕裕量后得到支管滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的最小厚度，向上圓整取其名義厚度δ′_nb。綜上，支管名義厚度應(yīng)在δ′_nb與0.75δ_nr，之間取值。可以使用假設(shè)方法，取該范圍內(nèi)的某個(gè)厚度值進(jìn)行計(jì)算，直到支管的名義厚度滿(mǎn)足強(qiáng)度和開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)兩方面的要求，最后定為δ_nb。這樣，在有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)，支管壁厚不得小于δ_nb，而在有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)范圍之外，支管壁厚只需取δ′_nb即可。

2.2.2 圓弧過(guò)渡區(qū)曲率半徑(R)

??? 設(shè)d_o為支管外徑，參考文獻(xiàn)[6]中規(guī)定了圓弧過(guò)渡區(qū)的曲率半徑最小值為R=0.5d_o，最大值為R=0.10d_o+13mm。這與參考文獻(xiàn)[1]、[4]中關(guān)于圓弧過(guò)渡區(qū)的曲率半徑最大最小值的規(guī)定并不矛盾，故設(shè)計(jì)過(guò)程中遵循該規(guī)定。

2.2.3 支管拔出高度(H_o)

??? 匯氣管開(kāi)口的拔出高度必須大于圓弧過(guò)渡區(qū)的曲率半徑值與接管端部焊接坡口所需的高度之和，其中接管端部焊接坡口所需的高度h=(δ_nb=1.6)×tg37.5°。另外，由于制造工藝水平不同，不同的制造商對(duì)同樣規(guī)格的主管上開(kāi)同樣直徑的孔，其開(kāi)口接管拔出高度也不盡相同。根據(jù)對(duì)某制造廠拔制工藝水平的咨詢(xún)，其拔制工藝為加熱一次拔一次，加熱和拔制的次數(shù)不超過(guò)三次，總共能拔出的高度一般不超過(guò)60mm。

2.2.4 有效補(bǔ)強(qiáng)高度(H)

??? 有效補(bǔ)強(qiáng)高度為：。δ_o是翻邊處去除腐蝕裕量后的支管壁厚，在距離主管外徑面高度等于r_o處測(cè)量，其為一個(gè)實(shí)測(cè)值，由制造廠的實(shí)際拔制工藝情況決定，是制造完成后才能測(cè)量到的值，在設(shè)計(jì)過(guò)程中是不得而知的。因此，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)一般采用安全的算法，用支管直管段的有效厚度δ_eb代替δ_o進(jìn)行計(jì)算。

2.2.5 支管短節(jié)長(zhǎng)度(L)

??? 當(dāng)匯氣管能拔出的最大高度小于有效補(bǔ)強(qiáng)高度時(shí)，需要加一支管短節(jié)，支管短節(jié)的高度L應(yīng)不小于有效補(bǔ)強(qiáng)高度，且不小于150mm^[7]。短節(jié)材料與母管材料相同，為16Mn；短節(jié)壁厚與拔出支管管端壁厚相同。