張有渝　熊　皓　傅賀平

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司,　四川　成都　610041

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再論高壓大口徑管件的設(shè)計(jì)計(jì)算方法

張有渝熊皓傅賀平

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司,四川成都610041

中國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管道工程閥室和站場(chǎng)用國(guó)產(chǎn)高壓大口徑管件,由于采用數(shù)學(xué)分析法導(dǎo)致大壁厚管件質(zhì)量難于得到保證,而進(jìn)口管件采用驗(yàn)證試驗(yàn)法計(jì)算得到的壁厚較小,不存在管件制造裝備和制造工藝上的難題,管件質(zhì)量和安全性得到了保證。通過工程實(shí)例中進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)管件的對(duì)比,說明應(yīng)采用驗(yàn)證試驗(yàn)法進(jìn)行管件設(shè)計(jì)計(jì)算,提出采用驗(yàn)證試驗(yàn)法需依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)為宜,并論述了采用管件驗(yàn)證試驗(yàn)法計(jì)算壁厚的相關(guān)技術(shù)問題,包括規(guī)范結(jié)構(gòu)型式與尺寸，和規(guī)定制造工藝規(guī)范。

管件；工程實(shí)例；設(shè)計(jì)計(jì)算；驗(yàn)證試驗(yàn)法

0　前言

自西氣東輸管道工程建設(shè)以來,中國(guó)天然氣高壓大口徑長(zhǎng)輸管道得到了迅速發(fā)展,管道設(shè)計(jì)壓力已經(jīng)達(dá)到12 MPa,管徑從DN 1 000(Φ 1 016 mm)加大到DN 1 400(Φ 1 420 mm),干線鋼管材質(zhì)普遍采用X 80。雖然干線管道的鋼管制造、施工組焊技術(shù)得到較好的發(fā)展[1-5],但干線管道閥室、站場(chǎng)上大量使用的管件,特別是三通、彎頭的制造工藝、裝備和質(zhì)量問題卻長(zhǎng)期未能得到解決。這主要是由于管件在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力分布較復(fù)雜,非均勻分布[6-7],與壓力容器圓柱殼的薄膜理論[8-9]完全不同,因此管件的計(jì)算在規(guī)范上就規(guī)定了兩種設(shè)計(jì)方法。目前我國(guó)在管件的設(shè)計(jì)計(jì)算方法上,仍在采用與高壓大口徑長(zhǎng)輸管道不相匹配的，相對(duì)保守的數(shù)學(xué)分析法,導(dǎo)致高壓大口徑管件壁厚特別大。目前中國(guó)管件制造公司的裝備和工藝無法保證管件質(zhì)量,但是這個(gè)問題在國(guó)外高壓大口徑管件的設(shè)計(jì)計(jì)算和制造上卻已經(jīng)得到了很好的解決,這就是放棄管件計(jì)算的數(shù)學(xué)分析法,采用驗(yàn)證試驗(yàn)法進(jìn)行管件的設(shè)計(jì)計(jì)算。筆者曾就此問題進(jìn)行過專門論述[10]。但是據(jù)了解，管件的設(shè)計(jì)計(jì)算方法并未得到很好的改變,因此高壓大口徑管件，特別是拔制三通的質(zhì)量尚有待進(jìn)一步提高?，F(xiàn)就此相關(guān)問題作進(jìn)一步的探討。

1　工程實(shí)例對(duì)比

在某長(zhǎng)輸管道工程中,曾經(jīng)進(jìn)口了國(guó)外某管件公司設(shè)計(jì)和制造的高壓大口徑管件,采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為當(dāng)時(shí)的美國(guó)管件標(biāo)準(zhǔn)MSS SP-75-1998 《優(yōu)質(zhì)鋼制對(duì)焊管件技術(shù)規(guī)范》[11],管件材質(zhì)為該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的管件鋼WPHY 70和WPHY 60,管件設(shè)計(jì)計(jì)算方法為驗(yàn)證試驗(yàn)法,當(dāng)時(shí)主要進(jìn)口的是三通、彎頭。部分進(jìn)口三通和彎頭的設(shè)計(jì)參數(shù)、規(guī)格、壁厚與材質(zhì)分別見表1和表2。

為了便于對(duì)比由于管件設(shè)計(jì)計(jì)算方法的不同所導(dǎo)致的管件壁厚差異,現(xiàn)將國(guó)內(nèi)某長(zhǎng)輸管道工程用國(guó)產(chǎn)管件中部分規(guī)格的三通和彎頭的規(guī)格、壁厚與材質(zhì)分別列于表3和表4。管件設(shè)計(jì)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是該工程的技術(shù)規(guī)格書和MSS SP-75-1998 《優(yōu)質(zhì)鋼制對(duì)焊管件技術(shù)規(guī)范》[11],管件材質(zhì)為API Spec 5 L-2000 《管線鋼管規(guī)范》(第42版)[12]規(guī)定的X 70和X 60,管件設(shè)計(jì)計(jì)算方法是數(shù)學(xué)分析法,即三通采用等面積補(bǔ)強(qiáng),彎頭采用公式計(jì)算。

表1進(jìn)口三通設(shè)計(jì)參數(shù)、規(guī)格、壁厚與材質(zhì)表

設(shè)計(jì)壓力/MPa主管、支管公稱直徑/mm主管、支管外徑/mm主管與支管肩部壁厚/mm材質(zhì)101000×10001016×101636.16WPHY70101000×6001016×61030.65WPHY70101000×5001016×50830.65WPHY70101000×3501016×323.929.87WPHY7010700×700711×71130.64WPHY6010700×300711×323.925.97WPHY6010400×300406×323.917.25WPHY606.3800×500813×50818.72WPHY60

表2進(jìn)口彎頭設(shè)計(jì)參數(shù)、規(guī)格、壁厚與材質(zhì)表

設(shè)計(jì)壓力/MPa公稱直徑/mm外徑/mm彎曲角度/(°)壁厚/mm材質(zhì)101000101690/4526.46WPHY701090091490/4528.28WPHY60107007119022.42WPHY601050050890/4516.48WPHY6010400406.49012.88WPHY60

表3國(guó)產(chǎn)三通規(guī)格、壁厚與材質(zhì)表

設(shè)計(jì)壓力/MPa主管、支管公稱直徑/mm主管、支管外徑/mm主管與支管肩部壁厚/mm材質(zhì)101000×6001016×61046.8X70101000×5001016×50846.2X70101000×3001016×323.942.9X7010700×500711×50836.0X6010700×400711×406.435.2X6010600×600610×61036.8X6010600×300610×323.935.8X6010500×500508×50829.9X6010500×300508×323.928.1X60

表4國(guó)產(chǎn)彎頭規(guī)格、壁厚與材質(zhì)表

設(shè)計(jì)壓力/MPa公稱直徑/mm外徑/mm彎曲角度/(°)壁厚/mm材質(zhì)101000101690/4532.8X70107007119024X70106006109026.3X601050050890/4520X6010400406.490/4518X60

表1～4至少可以說明以下問題：

1)國(guó)產(chǎn)管件在選材上與國(guó)外管件是一致的,都是根據(jù)管件的設(shè)計(jì)壓力和管件公稱直徑確定其材質(zhì),美國(guó)規(guī)范MSS SP-75-1998 《優(yōu)質(zhì)鋼制對(duì)焊管件技術(shù)規(guī)范》[11]上規(guī)定的WPHY 70和WPHY 60的抗拉強(qiáng)度最小值分別為82 000 psi(565 MPa)和75 000 psi(517 MPa),屈服強(qiáng)度最小值分別為70 000 psi(483 MPa)和60 000 psi(414 MPa),與API Spec 5L-2000《管線鋼管規(guī)范》(第42版)[12]對(duì)X 70、X 60的規(guī)定是完全一致的。

2)由于采用同樣的規(guī)范MSS SP-75-1998 《優(yōu)質(zhì)鋼制對(duì)焊管件技術(shù)規(guī)范》[11],所以管件在主要結(jié)構(gòu)尺寸上是相同的,實(shí)際上MSS SP-75-1998 《優(yōu)質(zhì)鋼制對(duì)焊管件技術(shù)規(guī)范》[11]的管件尺寸與其它管件標(biāo)準(zhǔn)ASME B 16.9-2001 《工廠制造的鍛軋制對(duì)焊管配件》[13]以及國(guó)內(nèi)管件標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0609-2006 《優(yōu)質(zhì)鋼制對(duì)焊管件規(guī)范》[14]、SY/T 0510-2010 《鋼制對(duì)焊管件規(guī)范》[15]在結(jié)構(gòu)尺寸上都是相同的,可能存在不同的僅是由于設(shè)計(jì)或制造上模具結(jié)構(gòu)、制造工藝造成的局部細(xì)小結(jié)構(gòu)和尺寸上的差異。但是這些差異不會(huì)帶來強(qiáng)度計(jì)算上的差別。

3)由表1和表3可見,進(jìn)口三通和國(guó)產(chǎn)三通由于不同工程需要的規(guī)格不同,較少有相同規(guī)格的三通可用于對(duì)比,但也可以看出以下的壁厚差別：

在相同設(shè)計(jì)壓力(10 MPa)和材質(zhì)(WPHY 60/X 60)下,主管相同而支管不同的進(jìn)口等徑三通DN 700×700肩部壁厚30.64 mm,反而比國(guó)產(chǎn)異徑三通DN 700×500的肩部壁厚36.0 mm要薄5.36 mm。

進(jìn)口三通的肩部壁厚之所以要薄于國(guó)產(chǎn)三通的肩部壁厚,就在于三通設(shè)計(jì)計(jì)算方法的不同,進(jìn)口三通計(jì)算采用驗(yàn)證試驗(yàn)法,而國(guó)產(chǎn)三通計(jì)算采用數(shù)學(xué)分析法的等面積補(bǔ)強(qiáng)法。

2　標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管件計(jì)算方法的規(guī)定

2.1管件計(jì)算方法依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管件的計(jì)算方法都有規(guī)定,MSS SP-75-2008《優(yōu)質(zhì)鋼制對(duì)焊管件規(guī)范》[16]和ASMEB 16.9-2007 《工廠制造的鍛鋼對(duì)焊管件》[17]規(guī)定了管件計(jì)算采用數(shù)學(xué)分析法或驗(yàn)證試驗(yàn)法；國(guó)內(nèi)管件標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0609-2006 《優(yōu)質(zhì)鋼制對(duì)焊管件規(guī)范》[14]也是這樣規(guī)定的,SY/T 0510-2010 《鋼制對(duì)焊管件規(guī)范》[15]除了規(guī)定采用數(shù)學(xué)分析法或驗(yàn)證試驗(yàn)法外,還特別規(guī)定了對(duì)于拔制三通可采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法計(jì)算,彎頭則采用環(huán)管公式計(jì)算。GB 50251-2015 《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]則明確規(guī)定三通采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法計(jì)算。

2.2標(biāo)準(zhǔn)的差異

管件標(biāo)準(zhǔn)雖然對(duì)其計(jì)算方法均作了類似的技術(shù)規(guī)定,但是仔細(xì)分析可知,管件標(biāo)準(zhǔn)在驗(yàn)證試驗(yàn)的要求上仍然存在差異,當(dāng)采用驗(yàn)證試驗(yàn)法進(jìn)行管件的驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)不同的問題,因此采用哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)更為恰當(dāng),就是首先須要確定的問題。

式中：p為試驗(yàn)管件最小計(jì)算驗(yàn)證試驗(yàn)壓力，MPa；σb為試驗(yàn)管件的實(shí)際抗拉強(qiáng)度(在代表試驗(yàn)管件材料的試樣上實(shí)測(cè)的抗拉強(qiáng)度)，MPa；t為管件上標(biāo)志的公稱壁厚，即與其連接同材質(zhì)主管的公稱壁厚，mm；D為管件在工程使用中所連直管的外徑，mm。

2.3推薦采用的管件標(biāo)準(zhǔn)

從上述分析可以看出,為了保證管件驗(yàn)證試驗(yàn)的順利進(jìn)行,直接采用國(guó)外管件標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)是比較穩(wěn)妥的,因此推薦管件特別是拔制三通進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)采用國(guó)外標(biāo)準(zhǔn),例如MSS SP-75-2008 《優(yōu)質(zhì)鋼制對(duì)焊管件規(guī)范》[16]。如果在更為苛刻的高壓低溫環(huán)境下輸送油氣的管道,則應(yīng)采用ASTM A 860/A 860 M-00 《高強(qiáng)度低合金鍛鋼對(duì)焊管件技術(shù)規(guī)范》[19],該規(guī)范規(guī)定的管件沖擊韌性試驗(yàn)溫度為-46 ℃,且要求管件的最大硬度應(yīng)為22 HRC。有文獻(xiàn)指出X 80大口徑三通的低溫?cái)嗔秧g度必須考慮尺寸效應(yīng)的影響[20]。

3　采用驗(yàn)證試驗(yàn)法的相關(guān)問題

3.1驗(yàn)證試驗(yàn)是驗(yàn)證試驗(yàn)法的基礎(chǔ)

管件標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了驗(yàn)證試驗(yàn)的方法、求取計(jì)算驗(yàn)證試驗(yàn)壓力的公式、合格的驗(yàn)證試驗(yàn)管件覆蓋范圍等,通過驗(yàn)證試驗(yàn)雖然不能直接給出管件經(jīng)濟(jì)合理的壁厚,但是有了驗(yàn)證試驗(yàn)的數(shù)據(jù),管件壁厚的確定就有了強(qiáng)度安全優(yōu)化的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

3.2合格的驗(yàn)證試驗(yàn)適用范圍

用于驗(yàn)證試驗(yàn)的樣品管件的結(jié)構(gòu)型式及尺寸必須符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。這樣的樣品管件在驗(yàn)證試驗(yàn)合格后,其結(jié)構(gòu)型式及尺寸就成為覆蓋同類型結(jié)構(gòu)的管件及尺寸范圍的基準(zhǔn)。在這個(gè)前提下,才能采用驗(yàn)證試驗(yàn)法來確定其同類管件的壁厚。

3.3驗(yàn)證試驗(yàn)的管件應(yīng)有制造工藝規(guī)范

管件的性能,特別是保證其強(qiáng)度安全的力學(xué)性能、金相組織、沖擊韌性等項(xiàng)指標(biāo)很大程度上受到管件制造工藝的影響,特別是原材料的性能、熱加工工藝和熱處理工藝決定了管件的性能和安全性。因此驗(yàn)證試驗(yàn)合格的管件的制造工藝必然成為今后相同類型管件的制造工藝規(guī)范(MPS),并且也就相應(yīng)規(guī)定了今后采用驗(yàn)證試驗(yàn)法確定壁厚的管件的制造工藝。在MSS SP-75-2008 《優(yōu)質(zhì)鋼制對(duì)焊管件規(guī)范》[16]中對(duì)此也有相應(yīng)規(guī)定,因此不同的管件公司應(yīng)有各自的驗(yàn)證試驗(yàn),以確定管件壁厚,而不能借用別家公司的驗(yàn)證試驗(yàn)成果。

3.4管件的驗(yàn)證試驗(yàn)可能是多次的

采用驗(yàn)證試驗(yàn)法確定管件的壁厚相對(duì)于數(shù)學(xué)分析法是先進(jìn)的,但是應(yīng)用驗(yàn)證試驗(yàn)合格的管件所取得的數(shù)據(jù)并不一定是優(yōu)化的,由此而確定的管件壁厚也不一定是優(yōu)化的。在筆者與國(guó)外管件公司的技術(shù)交流中就獲悉,不同的管件公司同樣是采用驗(yàn)證試驗(yàn)法,確定得出的管件壁厚卻是不同的。所以管件的驗(yàn)證試驗(yàn)可能要進(jìn)行多次,從中篩選出優(yōu)化的數(shù)據(jù)和制造工藝,并將其作為今后確定管件壁厚的優(yōu)化數(shù)據(jù)和制造工藝的規(guī)范。

4　結(jié)論

1)管件設(shè)計(jì)計(jì)算的驗(yàn)證試驗(yàn)法優(yōu)于數(shù)學(xué)分析法,因此對(duì)管件壁厚的確定應(yīng)該采用驗(yàn)證試驗(yàn)法。這不僅適用于高壓大口徑管件,也適用于中低壓和中小口徑的管件。

2)由于采用驗(yàn)證試驗(yàn)法確定的管件壁厚大大減薄,因此管件公司制造高壓大口徑管件在材料和制造工藝、裝備上存在的技術(shù)難題就自然得到了消除,保證了管件的性能和質(zhì)量,管件和管道工程的安全性也得到了保證。

3)采用驗(yàn)證試驗(yàn)法確定管件壁厚的基礎(chǔ)是驗(yàn)證試驗(yàn),管件的驗(yàn)證試驗(yàn)有可能要進(jìn)行多次,包括對(duì)管件制造工藝的優(yōu)化。

4)經(jīng)過優(yōu)化的合格的驗(yàn)證試驗(yàn)的管件結(jié)構(gòu)型式、尺寸和制造工藝,應(yīng)成為今后所適用的覆蓋范圍內(nèi)的管件的結(jié)構(gòu)型式、尺寸標(biāo)準(zhǔn)和制造工藝規(guī)范(MPS)。

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[16] 美國(guó)閥門及配件工業(yè)制造商標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).優(yōu)質(zhì)鋼制對(duì)焊管件規(guī)范:MSS SP 75-2008[S].弗吉尼亞：美國(guó)閥門及配件工業(yè)制造商標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)，2008.

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[20] 王海濤,田偉,李炎華.X 80大口徑三通低溫?cái)嗔秧g性試驗(yàn)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2014,(3)：306-310.Wang Haitao, Tian Wei, Li Yanhua. Test of Low-Temperature Breaking Tenacity of X 80 Heavy Caliber Tee Joint [J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2014, (3)： 306-310.

2016-02-19

西氣東輸三線天然氣管道工程(S 2011-270)

張有渝(1941-)，男，江蘇連云港人，教授級(jí)高工，主要從事石油化工壓力容器和石油天然氣壓力管道設(shè)備及管件、油罐設(shè)計(jì)、審核、審定及標(biāo)準(zhǔn)編制工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.02.020