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ASTM長輸油氣管系統(tǒng)設計安全規(guī)范

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1
ASTM 長輸油氣管系統(tǒng)設計安全規(guī)范
用于高壓輸氣鋼管的特殊標志載于最近一版的ASME 標準“高壓輸送管線”
ASME B31.8 中，輸氣系統(tǒng)的特殊配件，以及典型的細節(jié)與設計方面的建議均列
入本章。
基本流量方程式
純理論氣體流動公式：多年來管道工業(yè)在不同程度上成功地應用了一些在水
平輸送管道中的計算等溫氣流的公式，最新的純理論公式為：
L
D
P P Bf (ZTGQ ) 5
2
2
2
2
1 ? =
其中：B=尺寸常數(shù)=76.86；
D=內(nèi)徑，吋（in）；
f=摩擦系數(shù)（O 維，無量綱）；
L=管線長度，英里（Mile）;
G=煤氣比重（空氣比重）；
P1=線上初始壓強，磅/吋2（psia）；
P2=終點壓力，磅/吋2（psia）；
Q=流率，千呎3/小時（MCF/HR）；
T=測得的煤氣絕對溫度，0R（0F+460）；
Z=壓縮系數(shù)，在平均流量下的（O 維，無量綱）。
對于管線內(nèi)的流體，考慮到不同的高程差，應當采用經(jīng)J.W.Ferguson 的高度
修正法的理論氣體流量公式來計算不同高度時壓力分布的影響：
e
s L
D
P e P 76.68 f (ZTGQ ) 5
2
2
2
2
1 ? =
其中：P1=上游煤氣壓力，磅/吋2（psia）；
P2=下游煤氣壓力，磅/吋2（psia）；
e=自然對數(shù)的底，2.71828；
es=高程修正因子；
2
f=摩擦系數(shù)（無量綱）；
G=煤氣比重（空氣比重=1）；
T=煤氣流動溫度，0R（0F+460）；
Q=煤氣流率，千呎3/小時（MCF/HR）；
Z=壓縮系數(shù);
L=本管線的長度，英里（Mile）;
H=本管線的高程差，呎（feet）（上坡為正，下坡為負）；
s=GH/（26.647TZ）；
Le=有效長度，（es-1）L/s;
D=管線內(nèi)徑，吋（in）。
管線的設計公式
煤氣管道系統(tǒng)所需的設計壓力或者是對于給定的設計壓力下所需的鋼管公
稱壁厚可以用下述公式計算：
D
P = 2StFET
其中：P=容許的設計壓力，piag（磅/吋2 表壓）；
S=屈服強度，piag（磅/吋2 表壓）；
D=管線公稱外徑，in（吋）；
t=鋼管公稱厚度，in（吋）；
F=設計因數(shù)，其數(shù)值參看表1 地區(qū)分類表（除表2 表所規(guī)定的之外）；
E=管道縱向連接因數(shù)，取決于鋼管生產(chǎn)方式（參看表3）；
（螺旋焊，UOE，JCOE……）
T=溫度下降因數(shù)（參看表4）。
設計時的地區(qū)分類：
輸氣管道破損的可能隨建筑物的集中程度而上升。有一種方法是加上保護管
線安全的系數(shù)，按照公眾活動強度來降低管子的允許強度水平。美國機械工程師
協(xié)會ASME B31.8 將公眾活動強度量化了：首先將埋設地區(qū)分類，再將適當?shù)?
設計因數(shù)引進管道設計中。
3
ASME B31.8 將地區(qū)分類如下：
第1 類地區(qū)：一英里（哩）管線兩側(cè)有10 座或少于10 座的住人建筑物，該
類地區(qū)代表荒地、沙漠、山脈、牧場、農(nóng)場和人煙稀少的地區(qū)。
第2 類地區(qū)：一英里（哩）管線兩側(cè)有10 座以上到46 座以下的住人建筑物，
該類地區(qū)的人口密度介乎第1 類地區(qū)和第3 類地區(qū)之間，如市、鎮(zhèn)邊緣，工廠區(qū)、
大牧場或鄉(xiāng)間別墅等等。
第3 類地區(qū)：一英里（哩）管線兩側(cè)有46 座以上的住人建筑物（有別于第
4 類地區(qū)，該3 類地區(qū)包括大城市郊區(qū)的住宅開發(fā)區(qū)、購物中心、住宅區(qū)，工業(yè)
區(qū)和其它人口不及第4 類地區(qū)稠密的地區(qū)。
第4 類地區(qū)：包括高層建筑物集中區(qū)域，交通繁忙，人口稠密和擁有多種地
下設施的地區(qū)，多層建筑是指包括地面上在4 層以上的建筑（包括底層和一層在
內(nèi)）。
表1 基礎設計因素F2
地區(qū)分類 設計因素F
1 類地區(qū)，1 分區(qū) 0.80
1 類地區(qū)，2 分區(qū) 0.72
2 類地區(qū) 0.60
3 類地區(qū) 0.50
4 類地區(qū) 0.40
4
表2 管線建設設計因素[2]
地 區(qū) 分 類
1 類地區(qū)
設 施 名 稱
1 分區(qū)2 分區(qū)
2 類地區(qū)3 類地區(qū) 4 類地區(qū)
1．管線，主輸線及用戶支線 0.80 0.72 0.60 0.50 0.40
2．穿過道路、鐵路的不帶套管的管線
①私人道路 0.80 0.72 0.60 0.50 0.40
②未改善的公路 0.60 0.60 0.60 0.50 0.40
③帶硬路面的公路，高速路或街道及鐵路0.60 0.60 0.50 0.50 0.40
3．帶有套管的，穿過道路和鐵路的管線
①私人道路 0.80 0.72 0.60 0.50 0.40
②未改善的公路 0.80 0.72 0.60 0.50 0.40
③帶硬路面的公路，高速路或街道及鐵路0.60 0.60 0.60 0.50 0.40
4．預制的管線組合 0.60 0.60 0.60 0.50 0.40
5．橋上的管線 0.60 0.60 0.60 0.50 0.40
6．加壓站內(nèi)的管線 0.50 0.50 0.50 0.50 0.40
7．第1、2 類地區(qū)中人口集中的地區(qū) 0.50 0.50 0.50 0.50 0.40
穿過鐵路、車道和人行道的管線和干線，或者鋪在橋上的管線、干線的設計
因素必須按照前述的地區(qū)分類（橋梁所在的地區(qū)）來選定，除了1 類地區(qū)外，必
須采用的設計因素為0.6。
流體溫度（校正公式）
最初建立的沿管線上任一點流體溫度的較準確的校正公式是由Charles E.
Schorre 于1954 年提出的，然而，按照Schorre 的公式，流動的氣體溫度沿著管
線的走向逐漸降低，總是達不到預期的平衡值，因為Joule-Thompson 的冷卻效
應受到管線周圍的溫熱土壤提供的熱量的影響。
1979 年，D.M.Coulter 和M.F.Bardon 導出了下列公式，給出了流動氣體的溫
度按對數(shù)級下降的漸近值，接近低于地面溫度的數(shù)值。
??
?
??
+ ? + ?
?
?
??
?
??
?
??
= ? ? + ?
dX
dP
a
e T
dX
dP
a
T T T g
aX
g
μ μ
2 1
式中：μ=焦耳-湯普遜系數(shù)，F(xiàn)0/psi（0F/磅/吋2）；
5
X=距離，ft（呎）；
P=壓力，psi（磅/吋2）；
T1=氣體初始溫度，0F；
T=在X2 的氣體溫度，0F；
Tg=平均地面溫度，0F。；
a=2πRU/(qCp)，π=3.1416；
R=管線半徑，ft（呎）；
U=熱傳導系數(shù)，B.T.U./(h·0F·ft2)，（英熱單位/（ h·0F·呎2)）；
q=氣體流量，MCF/HR，（百萬立方呎/小時）；
Cp=常壓下的氣體比例，B.T.U./( 0F·MCF)，（英熱單位/(0F·百萬立
方呎)）。
表3 縱向聯(lián)接因素E[2]
標準號 管線等級 因素E
無縫管 1.00
電阻焊管 1.00
ASTM A53
爐內(nèi)對焊管 -連續(xù)焊管 0.60
ASTM A106 無縫管 1.00
ASTM A134 電弧熔融焊管 0.80
ASTM A135 電阻焊管 1.00
ASTM A139 電熔焊管 0.80
ASTM A211 螺旋焊管 0.80
ASTM A333 無縫管 1.00
電阻焊管 1.00
ASTM A381 雙面埋弧焊管 1.00
ASTM A671 電熔焊管 13，23，33，43，53 級 0.80
12，22，32，42，52 級1.00
ASTM A672 電熔焊管 13，23，33，43，53 級 0.80
12，22，32，42，52 級1.00
API 5L 無縫管 1.00
ASTM A 電阻焊管 1.00
ASTM A 閃光電焊管 1.00
ASTM A 爐內(nèi)對接焊管 0.60
ASTM A 埋弧焊管 1.00
注：ASME B31.8 給出了焊管等級的定義。
6
表4 鋼管溫度下降因素T[2]
溫 度 0F 溫度下降因素T
250O 及250O 以下 1.000
300 0.967
350 0.933
400 0.900
450 0.867
注：欲求具體溫度下的T，請用插入法計算。
譯者按：石油部原顧問，西氣東輸項目經(jīng)理部高級技術(shù)顧問、中科院金屬研
究所研究員王儀康先生介紹：石油部西氣東輸工程部確定的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類地
區(qū)劃分標準是按人口密度計算，與西方標準不同，列表如下：
Ⅰ類地區(qū) 每平方公里居住人口5 人以下 建議采用螺旋焊管
Ⅱ類地區(qū) 每平方公里居住人口100 人以下 建議采用螺旋焊管
Ⅲ類地區(qū) 中小城鎮(zhèn) 建議采用UOE 直縫焊管
Ⅳ類地區(qū) 人口密度的大城市（如上海） 建議采用UOE 直縫焊管
曹蔭芝譯 姚衛(wèi)薰校

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