【文章內(nèi)容簡介】 ） 優(yōu)化集輸方案和工藝流程，盡量節(jié)省工程投資 [1]。 鐵北 101— X1井地面集輸工程 3 工程設(shè)計壓力 本工程各管段設(shè)計壓力見下表： 表 設(shè)計壓力表 序號 管 段 設(shè)計壓力 (MPa) 一 鐵北 101— X1 井集氣站 1 井口節(jié)流針閥后至水套爐末端節(jié)流閥前 32 2 水套爐末端節(jié)流針 閥后至原料氣出站閥門 3 高壓放空管線 16 4 中壓放空管線 5 排污管線 (分離器后排污閥至污水灌進水閥門 ) 二 線路截斷閥室 三 鐵山北 1 井?dāng)U建 榆林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 4 2 集氣管線 集氣管道管徑計算 本工程的集氣管線所需管徑較小，輸送的是含硫未脫水天然氣，因此采用 GB50350－ 2021《油氣集輸設(shè)計規(guī)范》 式（威莫斯公式）進行計算 [2]。 威莫斯公式 (Weymouth)： ])([ ZTL ppdq v ? ?? （ ） 式中： qv－管線計算流量（ P0＝ ， T0＝ 293K）， m3/d； P1－管線起點壓力（絕壓）， MPa； P2－管線終點壓力（絕壓）， MPa； d －管線內(nèi)徑， cm； Δ －氣體的相對密度（對空氣）； Z －氣體在計算管段平均壓力下的壓縮因子； T －氣體的平均熱力學(xué)溫度， K； L －管線的計算長度， km； 鐵北 101X1 井集氣站集氣管 線計算長度按 計算； 根據(jù)上述公式，計算出不同管線鐵北 101X1 井集氣站的出站壓力見下表： 表 起點壓力計算成果表 管線規(guī)格 流量 m3/d 溫度℃ 終點壓力（ MPa） 起點壓力（ MPa） DN80 96000 DN100 96000 DN150 96000 由上表可知， DN80 的管道總壓損較大，不利于后期開采， DN150 管徑余量較大，相對 DN100 的管徑不經(jīng)濟，從有利于 氣井開采，天然氣輸送及經(jīng)濟效益，以及考慮到今后產(chǎn)量增加及管線在運行過程中的壓力變化等因素，選擇 DN100 的管徑。 管道材質(zhì)與強度設(shè)計 管線材質(zhì) 目前廣泛用于輸送天然氣的鋼管類型有無縫鋼管、直焊縫鋼管和螺旋焊縫鋼管。集氣管道所用鋼管的選擇，應(yīng)根據(jù)使用壓力、溫度、輸送介質(zhì)、使用地區(qū)及制管工藝等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。 鐵北 101— X1井地面集輸工程 5 （ 1） 無縫鋼管 無縫鋼管的制管標準較多，用于輸送天然氣的無縫鋼管主要有《石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件》 GB/T971《輸送流體用無縫鋼管》 GB/T816《 高壓鍋爐用無縫鋼管》 GB53《化肥設(shè)備用高壓無縫鋼管》 GB6479 等。國內(nèi)生產(chǎn)無縫鋼管的規(guī)格熱軋可至Φ 406mm，Φ 406mm 以上均為熱擴（熱擴徑軋制）。 （ 2） 螺旋縫埋弧焊鋼管 螺旋縫埋弧焊鋼管（ SAWH）焊縫與鋼管軸線形成一螺旋角（一般約為 45176。），其焊縫及韌性相當(dāng)薄弱的焊縫熱影響區(qū)避開了主應(yīng)力方向，焊縫受力情況好。 其缺點為焊縫長，產(chǎn)生缺陷的概率大，受焊縫約束不能冷彎。目前國內(nèi)螺旋縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)，通過在設(shè)備和技術(shù)上的不斷更新和改造，規(guī)模已大上臺階，其產(chǎn)品質(zhì)量已達到國際先進水平，螺旋縫埋弧 焊鋼管已廣泛的使用在凈化氣長輸管道上。 目前國內(nèi)生產(chǎn) SAWH 焊管的規(guī)格為Φ 273～Φ 2400。 （ 3） 直縫高頻電阻焊鋼管（ ERW） ERW 焊管的生產(chǎn)方法是將熱軋卷板經(jīng)連續(xù)輥式成型機成型后，在高頻電流集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)基礎(chǔ)上，利用高頻電流或感生高頻電流所產(chǎn)生的電阻熱將管 坯對接邊緣加熱熔化，在擠壓輥的作用下而熔合的工藝過程。其特點為熱量高度集中、熱影響區(qū)范圍較小、焊接溫度梯度大、易產(chǎn)生硬化相和較大的焊接應(yīng)力、成本低。目前有許多新型的技術(shù)已應(yīng)用于 ERW 焊管的生產(chǎn)過程中，使 ERW 焊管的制管工藝日趨完善，產(chǎn)品 質(zhì)量大幅提高，已在凈化氣輸氣管道和城鎮(zhèn)燃氣管道 中廣泛使用。國內(nèi)生產(chǎn) ERW 焊管的規(guī)格為Φ 114～Φ 。 （ 4） 直縫雙面埋弧焊鋼管（ UOE） UOE 焊管是單張鋼板在邊緣預(yù)彎后，經(jīng) U 成型、 O 成型、內(nèi)焊、外焊、冷成型等工藝而成。其特點為成型精度高、錯邊量小、殘余應(yīng)力小。焊接時焊縫處于水平位置，焊接穩(wěn)定、質(zhì)量可靠性較高（在所有焊管中，質(zhì)量最好）。目前國內(nèi)生產(chǎn) UOE 焊管的規(guī)格為Φ 508～Φ 1118，國外進口 UOE 焊管的規(guī)格為Φ ～Φ 1118。由于價格較高，在國內(nèi)廣泛的使用于鐵路穿越、公路穿越 、 河流穿 越等特殊地段及制作線路彎管。 管道材質(zhì)確定 由于本工程集氣管道輸送的是 含硫濕 天然氣，集氣管線設(shè)計壓力 ， 工作壓力為 ， H2S 含量為 ％， 根據(jù)計算 H2S 分壓為 ， PH 值為 ～ 。 根據(jù)《天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開裂金屬材料要求》（ SY/T0599— 2021） 規(guī)定，管材發(fā)生 SSC 的酸性環(huán)境位于 SSC 3 區(qū) [3]， 因此 本設(shè)計集氣管線選用 L245NCS 無縫鋼管 ,制管標準執(zhí)行《石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件 第 3 部分： C 級鋼管》（ GB/－ 1999） [4]。 管道強度設(shè)計 （ 1） 計算公式 榆林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 6 集氣管線根據(jù) GB50350－ 2021《油氣集輸設(shè)計規(guī)范》中的 公式計算管道壁厚： CtFPDs?? ??? 2 （ ） 式中： δ －鋼管計算壁厚， mm； P－設(shè)計壓力， MPa； D－管道外徑， mm； σs－鋼管最低屈服強度， MPa； F－設(shè)計系數(shù)； Φ －鋼管焊縫系數(shù)； t－溫度折減系數(shù)； C－管道腐蝕裕量， mm； （ 2） 設(shè)計參數(shù)取值及計算結(jié)果 管線按等強度設(shè)計，設(shè)計壓力 ；考慮到鐵北 101X1 井的 H2S 含量較高，腐蝕裕量取 2mm；管線設(shè)計系數(shù)按二級地區(qū)的設(shè)計系數(shù) 計算；最低屈服強度按材質(zhì)取 245MPa。計算結(jié)果如下： 表 管線壁厚計算結(jié)果表 管材 管線外徑 mm 屈服強度 MPa 設(shè)計壓力 MPa 設(shè)計 系數(shù) 腐蝕裕量 mm 計算值 mm 選用壁厚 mm L245NCS 245 根據(jù)上表計算可知，集氣管道應(yīng)采用Φ 179。 的管線。 （ 3） 管道的穩(wěn)定性 根據(jù) GB50350－ 2021《油氣集輸設(shè)計規(guī)范》第 條要求，集氣管道的外徑與壁厚之比 D/δ為 ，遠小于 140，因此在正常的運輸、鋪設(shè)、埋管情況下，均不會出現(xiàn)圓截面失穩(wěn)和剛度不足問題 [2]。 線路用彎管 本工程集氣管線根據(jù)地形、地質(zhì)條件，采用彈性彎曲和工廠預(yù)制熱煨彎管兩種形式，以滿足管道在平面和豎面上的變向要求。 考慮到本工程天然氣的 H2S 含量較高，設(shè)計壓力也較高，為便于更好的滿足SY/T0599－ 97《天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開裂金屬材料要求》的規(guī)定，本工程集氣管線不采用現(xiàn)場冷彎彎管。 （ 1） 彈性敷設(shè) 在地形條件允許的地區(qū)，管道可采用彈性敷設(shè)，彈性敷設(shè)的曲率半徑應(yīng)滿足管道強鐵北 101— X1井地面集輸工程 7 度要求，且不得小于 1000D，垂直面上彈性敷設(shè)管道的曲率半徑還應(yīng)大于管子自重作用下產(chǎn)生擾度的曲率半徑，其計算公式如下： 234 2c os13600 DR???? （ ） 式中： R －彈性敷 設(shè)管道最小彎曲曲率半徑， m； D －管道的外直徑， cm； σ －管道的轉(zhuǎn)角，（ 176。）。 彈性敷設(shè)管道與相鄰反向彈性彎管和人工彎管之間，應(yīng)采用直管段連接過渡，其直管段長度不得小于管子外徑，且不小于 500mm。 （ 2） 熱煨彎管 當(dāng)?shù)匦尾荒軡M足彈性敷設(shè)的條件時，采用熱煨彎管適應(yīng)管道轉(zhuǎn)向。 考慮到硫化物應(yīng)力開裂和抗氫誘發(fā)裂紋對管材的影響 ， 彎管采用抗硫無縫鋼管在工廠進行加熱煨制。管線熱煨彎管的曲率半徑采用 R≥ 5DN。彎管材質(zhì)與線路管材相同。 彎管強度計算公式為 ： mb ???? （ ） DR DRm 244 ??? （ ） 式中： δ b－彎管管壁厚度（ mm）； δ －彎管所連接的直管段管壁厚度（ mm）； m－ 彎管壁厚增大系數(shù)； R－彎管的曲率半徑（ mm）； D－彎管的外直徑（ mm）； 本集氣管線所用彎管計算壁厚值為 。此外，彎管在加工過程中，其外弧部位會因拉伸而減薄，根據(jù)國內(nèi)廠家制作經(jīng)驗，減薄量約為 7%～ 8%。為保證熱煨彎管的壁厚達到設(shè)計壁厚要求，設(shè)計按 8%的減薄量考慮。在考慮加工減薄量和管子規(guī)格后，集氣管線彎管所需壁厚 。則集氣管線彎管選用Φ 179。 的 L245NCS 輸送流體用無縫鋼管制作。集氣管線彎管制作所用管材應(yīng)符合 GB/－ 2021《 石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件 第 3 部分： C 級鋼管》。 強度校核 對于埋地管道必須進行當(dāng)量應(yīng)力校核。校核條件為：受約束熱膨脹直管段，按最大剪切應(yīng)力強度理論計算得當(dāng)量應(yīng)力必須滿足下式要求： slhe ???? ??? （ ） 式中： σ e— 當(dāng)量應(yīng)力， MPa； 榆林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 8 σ h— 管內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力， MPa。 σ h=PdD/(2δ ) 其中： Pd— 設(shè)計壓力， MPa； D — 管子內(nèi)徑， mm； δ — 管子壁厚， mm； σ L — 內(nèi)壓和溫度引起的軸向應(yīng)力， MPa。 σ L=? σ h+Eα (t1t2) 其中： ? — 泊桑比， ? =； E — 鋼材彈性模量， E=； α — 鋼材線膨脹系數(shù)，α =； t1— 管道下溝填回時的溫度，℃； t2— 管道的工作溫度，℃； σ s— 管子規(guī)定的最小屈服強度， MPa。 經(jīng)對所采用的鋼管進行強度校核，σ e＜ s，用管均滿足強度要求。見下表： 表 管道強度校核計算結(jié)果表 管線規(guī)格 σ h σ L σ e s Φ — 抗震校核 按照《輸油（氣）鋼質(zhì)管道抗震設(shè)計規(guī)范》（ SY/T 0450— 2021）的規(guī)定，對地震波在土壤中的傳播及活動斷層錯動產(chǎn)生過大的軸向應(yīng)變及管道長度變化而造成的破壞需要進行抗震強度校核。對地震波引起的管道最大軸向應(yīng)變ε max 與操作條件下荷載引起的軸向應(yīng)變ε組合，應(yīng)不大于管道抗 地 震震動下的軸向容許應(yīng)變，其校核公式如下 [5]： 當(dāng)ε max + ε ≤ 0 時， |ε max + ε | ≥ [ε c ]v 當(dāng)ε max + ε ≥ 0 時， ε max + ε ≤ [ε t ]v 式中： ε max— 地震波引起管道的最大軸向拉、壓應(yīng)變； ε — 由于內(nèi)壓和溫度變化產(chǎn)生的管道軸向應(yīng)變， Ea??? ； σ a — 由于內(nèi)壓和溫度變化產(chǎn)生的管道軸向應(yīng)力（ MPa），取σ a=σ L 為管道的軸向應(yīng)力； E — 管道材料的彈性模量 (MPa)； [ε t ]v— 埋地管道抗振動的軸向容許拉伸應(yīng)變； [ε c ]v— 埋地管道抗振動的軸向容許壓縮應(yīng)變，按下式計 算： [ε c ]v= D?? ； 式中： δ — 管道壁厚 (m)。 鐵北 101— X1井地面集輸工程 9 D — 管道外直徑 (m)。 根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計的規(guī)范》（ GB50251— 2021），管道軸向應(yīng)力σ L 按下式計算： )(2 21 ttEPd nL ??? ???? （ ） 式中： σ L — 管道的軸向應(yīng)力，拉力為正， 壓力為負（ MPa）； μ — 泊桑比，μ =； P — 管道設(shè)計內(nèi)應(yīng)力， ； d — 管子內(nèi)徑， ； δ n— 管子的公稱壁厚， ； E — 鋼材彈性模量， E=。 α — 鋼材的線膨脹系數(shù)，α =。 t1 — 管道下溝回填時的溫度，℃；