管道设计系数应用浅析
目录
摘要 ............................................................... 1
ABSTRACT ........................................................... 1
前言 ............................................................... 2
1.0提高管道设计系数的可行性 ........................................ 2
1.1不增加管道第三方破坏的失效概率 .................................. 2
1.2提高焊接性能 .................................................... 3
2.0经济效益的对比 .................................................. 3
2.1提高设计系数对投资的影响 ........................................ 3
2.1.1提高设计系数对投资的比较 . .................................. 3
2.1.2设计系数对输气量的影响 . .................................... 4
3.0提高设计系数的现实意义 .......................................... 5
总结 ............................................................... 5
参考文献 ........................................................... 6
摘要
随着我国经济的快速发展，我国对外能源的依存度越来越高，特别是原油进口超过50%，其中大部分是通过海上运输。为了国家能源安全，提高资源的多样化，我国相继建设了中缅管道，中俄天然气管道，西气东输管道等，对国家能源安全及多样化提供的基础。管道的可靠性在对管道安全运行至关重要，在此主要分析西气东输管道设计系数对管道的影响及经济性。
关键词： 管道强度 设计系数 经济性
Abstract
With the rapid development of economy in our country ， our country’s energy dependence is higher and higher. Especially crude oil imports more than 50%， most of which are transported by sea. For national energy security and improve the diversification of resources， we constructed the China and Myanmar pipeline， China-Russia pipeline， West-east gas pipeline to provide the basis of national energy security and diversification. The reliability of the pipeline on the pipeline’s safe operation is very importance；there will main analysis’ pipeline design coefficient for pipe and the economy influence.
Key words： pipeline intension design coefficient economy
前言
自1959年建成新疆克拉玛依至独山子输油管道以来，随着大庆、胜利、四川、华北、中原、青海、塔里木和吐哈等油气田的相继开发建设，我国逐渐形成了有 北向南、自西向东的 油气输送官网。在多年的管道建设实践中，管道设计、施工和运行管理技术得到很大发展，目前已经开工建设的西气东输管道工程是国内输送压力最高、选用钢材强度最大、口径最大的输气管道，采用了内涂减阻、盾构穿越大型河流和岩穴储气库等多项先进技术，是我国的管道设计和施工技术有上了一个新台阶[1]
管道由于运行压力大，为了确保管道的安全性，我国在建第一条西气东输管道时采用国外设计管道X70，设计输送压力10MPa ，壁厚14.6mm 。由于管道制造水平，施工环境的影响，我国在设计管道壁厚时在一类地区设计系数为0.72，而国外多采用0.8或0.83以上。这对我国生产制造、建设投资带来高昂的费用。 例如我国在此管道中采用内涂层，泵站间距增大了16.2%～30%，减少压缩机站3座，节约投资11.1×108元，扣除内涂层投资4×108元，减少工程投资
7.1×108元。在同样输量下，采用内涂层后，压缩机消耗的总功率可以减少18.7%～23%，如果驱动机为燃气轮机，则自耗气可以减少13.1%～23%，每年可减少运行费用1.65×108元。如若提高我国的设计系数提高，管线的许用压力和最大输送压力，进而提高管线的输送效率和整体经济效益[1]
1.0提高管道设计系数的可行性
天然气管道失效的方式复杂多样。欧洲天然气失效事故数据小组( EG IG) 的统计结果表明，外腐蚀、第三方破坏和疲劳裂纹缺陷是管道失效的主要方式[2] 。目前结构可靠性评价主要是针对管道腐蚀及第三方破坏进行的。
1.1不增加管道第三方破坏的失效概率
输气管道在运行过程中，凹痕、凿孔等第三方破坏是引起管道失效的主要原因，其极限状态函数表达式为：
F =F (f , δp , δD , δr , δσ, t min , a g , L g , d , ⨯D mm , , Kic , SM YS ) 式中： F — 导致凹痕 d 的冲击力；
a g — 凹痕、凿孔深度；
Lg — 凹痕、凿孔的长度；
K IC — 材料的断裂韧性。
当第三方破坏达到失效极限时，管道就会发生失效。失效概率用 f 、d 、tmin 来表示。假设K IC 为一个确定的量，则有
:
由上述两式可以看出， p f 缺陷取决于 f 、t min 、SMY S 、D min 、K IC 。因此， 通过对 t min 、SMYS 、D min 、 K IC 中任何一个指标作出适当的调整，都可以在不改变由于第三方破坏而引起的失效概率的情况下提高设计系数[3]。
1.2 提高焊接性能
焊接性能和检测技术的提高在一定程度上说明提高设计系数是可行的。由于焊接性能的优劣直接影响管道的安全，因此，除对钢管的强度、韧性、外形尺寸、抗腐蚀能力和可靠性提出了严格要求外，对焊接性能及工艺也需要制订严格的标准。在西气东输工程中，焊接标准的有些指标已高过国际标准[4]。
2.0经济效益的对比
2.1提高设计系数对投资的影响
在保证管道安全性的前提下，提高管道设计系数可以减小壁厚，节约管材，提高经济效益。
2.1.1提高设计系数对投资的比较
管道许用应力与管道设计压力、管径和壁厚有关，公式如下所示：
[σ]>σ=PD 公式2-1 式中， [σ]——许用应力
σ——设计应力
P ——设计压力
D ——管道外径
δ——管道壁厚
τ——设计系数
对于我国，在一类地区的设计系数为0.72和国外0.8相比数据如下表2-1。表中管子直径 1016 mm ，设计压力10 MPa ，钢级X70 ，管材单价5800 元/ t 。从表1-1可知设计系数从0 . 72提高到0 . 80后，节省成本量为25万元/公里。
约10亿左右。在一类地区可适当的提高系数从而减少成本，其它地方可根据当地的具体情况，根据管材考虑设计系数的提高。
2.1.2设计系数对输气量的影响
对于长距离输气管道，输气量与天然气温度、起终点压差、长度、管径、管道水力摩阻系数和横截面积有关，在此只考虑平坦地区输气，公式如下：
M =⎡⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣(P 2Q -P 2) D Z 4ZRT (λL +2ln D P
Q z ⎤⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦0. 5 公式2-1
由公式可知，在管道敷设较长的地段，管道起终点压力2ln
响相对较小，可将公式简化如下： P Q Pz 对输气量影
M = (P 2Q -P 2) D 5Z 公式2-2 ZRT λL
如果在壁厚不变的条件下，提高管道的设计系数，可相应提高管道的设计压力。例如西气东输的设计压力10MPa ，则在壁厚不变的条件下，提高设计系数 达到0.8，设计压力可达到11MPa 。在其他条件不变的情况下，输气量可提高15%。
3.0提高设计系数的现实意义
在长输管道设计和建设中，我国已越来越多地采用高强度钢，如果在满足输气管道稳定性要求的前提下进一步提高管道的设计系数，将会带来更大的经济效益。这对管道的制造，焊接，科研以及对我国整体的工业水平都有较大提高。同时减轻我国对国外先进技术的依赖，打破国外技术垄断，增加我国在钢材、设备、关键以及相关产业的国际竞争力。
总结
从经济的角度，阐述了提高高强度钢输气管道设计系数的意义，并从结构可靠性评价方面分析了输气管道外腐蚀及第三方破坏与设计系数之间的关系，认为在提高制管技术、焊接性能和检测技术基础上，在不影响管道安全的前提下，可以提高管道设计系数。
当然，在目前的条件下，直接将我国所有高强度管道的设计系数从0. 72 提高到0 . 80 ，在技术上仍存在许多问题有待解决。但是可以考虑先将穿越无人类活动地区管道的设计系数提高到 0. 80 。对于其它地区的管道，可以在多方论证
[5]之后，逐步提高设计系数。
参考文献
[1] 丁建林:我国油气管道技术和发展趋势，油气储运，2003，22(9)22～25。
[2] IGE/ TD/ 1: S teel pipelines f or high p res sure gas t ran smissi on ，Ins titut ion
of Gas Engin eer ， 1993
[3] 喻建胜 张鹏等: 提高我国高强度输气管道设计系数研究，油气储运，
2009 ， 28( 4)19 ～ 21 。
[4] 黄开文: 国外高钢级管线钢的研究与使用情况， 焊管， 2003 ，26( 3)。
[5] 尹成先等. 提高高强度输气管线设计系数的可能性研究. 天然气工业, 2005;
25( 10): 117 ～ 119