【文章內容簡介】 ） 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 工程設計壓力 本工程各管段設計壓力見下表： 表 設計壓力表 序號 管 段 設計壓力 (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 井擴建 榆林學院畢業(yè)設計 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。 管道材質與強度設計 管線材質 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，應根據(jù)使用壓力、溫度、輸送介質、使用地區(qū)及制管工藝等因素，經(jīng)技術經(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《化肥設備用高壓無縫鋼管》 GB6479 等。國內生產(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。），其焊縫及韌性相當薄弱的焊縫熱影響區(qū)避開了主應力方向，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。目前國內螺旋縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)，通過在設備和技術上的不斷更新和改造，規(guī)模已大上臺階，其產(chǎn)品質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和鄰近效應基礎上，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力、成本低。目前有許多新型的技術已應用于 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彎后，經(jīng) U 成型、 O 成型、內焊、外焊、冷成型等工藝而成。其特點為成型精度高、錯邊量小、殘余應力小。焊接時焊縫處于水平位置，焊接穩(wěn)定、質量可靠性較高（在所有焊管中，質量最好）。目前國內生產(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)《天然氣地面設施抗硫化物應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)輸送鋼管交貨技術條件 第 3 部分： C 級鋼管》（ GB/－ 1999） [4]。 管道強度設計 （ 1） 計算公式 榆林學院畢業(yè)設計 6 集氣管線根據(jù) GB50350－ 2021《油氣集輸設計規(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－設計壓力， MPa； D－管道外徑， mm； σs－鋼管最低屈服強度， MPa； F－設計系數(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） 設計參數(shù)取值及計算結果 管線按等強度設計，設計壓力 ；考慮到鐵北 101X1 井的 H2S 含量較高，腐蝕裕量取 2mm；管線設計系數(shù)按二級地區(qū)的設計系數(shù) 計算；最低屈服強度按材質取 245MPa。計算結果如下： 表 管線壁厚計算結果表 管材 管線外徑 mm 屈服強度 MPa 設計壓力 MPa 設計 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、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、地質條件，采用彈性彎曲和工廠預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，設計壓力也較高，為便于更好的滿足SY/T0599－ 97《天然氣地面設施抗硫化物應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 在地形條件允許的地區(qū)，管道可采用彈性敷設，彈性敷設的曲率半徑應滿足管道強鐵北 101— X1井地面集輸工程 7 度要求，且不得小于 1000D，垂直面上彈性敷設管道的曲率半徑還應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 設管道最小彎曲曲率半徑， m； D －管道的外直徑， cm； σ －管道的轉角，（ 176。）。 彈性敷設管道與相鄰反向彈性彎管和人工彎管之間，應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?shù)匦尾荒軡M足彈性敷設的條件時，采用熱煨彎管適應管道轉向。 考慮到硫化物應力開裂和抗氫誘發(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計壁厚要求，設計按 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符合 GB/－ 2021《 石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術條件 第 3 部分： C 級鋼管》。 強度校核 對于埋地管道必須進行當量應力校核。校核條件為：受約束熱膨脹直管段，按最大剪切應力強度理論計算得當量應力必須滿足下式要求： slhe ???? ??? （ ） 式中： σ e— 當量應力， MPa； 榆林學院畢業(yè)設計 8 σ h— 管內壓引起的環(huán)向應力， MPa。 σ h=PdD/(2δ ) 其中： Pd— 設計壓力， MPa； D — 管子內徑， mm； δ — 管子壁厚， mm； σ L — 內壓和溫度引起的軸向應力， 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）鋼質管道抗震設計規(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變ε max 與操作條件下荷載引起的軸向應變ε組合，應不大于管道抗 地 震震動下的軸向容許應變，其校核公式如下 [5]： 當ε max + ε ≤ 0 時， |ε max + ε | ≥ [ε c ]v 當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、壓應變； ε — 由于內壓和溫度變化產(chǎn)生的管道軸向應變， Ea??? ； σ a — 由于內壓和溫度變化產(chǎn)生的管道軸向應力（ MPa），取σ a=σ L 為管道的軸向應力； 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變； [ε c ]v— 埋地管道抗振動的軸向容許壓縮應變，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)《輸氣管道工程設計的規(guī)范》（ GB50251— 2021），管道軸向應力σ L 按下式計算： )(2 21 ttEPd nL ??? ???? （ ） 式中： σ L — 管道的軸向應力，拉力為正， 壓力為負（ MPa）； μ — 泊桑比，μ =； P — 管道設計內應力， ； d — 管子內徑， ； 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，℃；