馬強(qiáng)

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

隨著天然氣行業(yè)的快速發(fā)展，天然氣輸氣管網(wǎng)的建設(shè)與維護(hù)越來越受到人們重視。天然氣管道采用分管分段施工，在間歇施工時(shí)由于密封不嚴(yán)外部雜質(zhì)可能會(huì)掉進(jìn)管道，影響管道的運(yùn)行。此外，在輸送天然氣時(shí)由于天然氣中攜帶的雜質(zhì)沉淀和天然氣中硫化氫（H2S）對(duì)管壁腐蝕的腐蝕產(chǎn)物會(huì)阻塞管道，影響管道正常運(yùn)行，降低天然氣的輸氣效率。為避免此類現(xiàn)象的產(chǎn)生，需要對(duì)現(xiàn)役管道進(jìn)行定期清理[1-5]。收球筒作為清理管線的主要設(shè)備之一，存在因清管器速度失控沖擊的安全隱患[11-12]。為了避免清管器速度失控給收球筒帶來的沖擊破壞，提高收球筒的安全性和可靠性，收球筒的設(shè)計(jì)與選材顯得尤為重要[13-14]。

呂朝旭[15]通過對(duì)收球筒的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)為傳統(tǒng)清管器雖已進(jìn)行較為深入的研究，然而由于技術(shù)的復(fù)雜性，智能清管器的研究還處于初期，智能清管器的研究與應(yīng)用是未來發(fā)展的一個(gè)重要研究方向。張科[11]從工藝角度出發(fā)認(rèn)為清管器進(jìn)入到收球筒后，由于收球筒的管徑變大，會(huì)導(dǎo)致清管器與管壁之間碰撞從而破壞清管器的彈性密封。因此他對(duì)長輸管道的收球筒工藝進(jìn)行優(yōu)化，可有效地提高收球筒的安全性。倪姍姍等[16]通過對(duì)西氣東輸二線的收球筒的位移原因進(jìn)行分析，結(jié)果表明其位移主要原因是設(shè)計(jì)時(shí)選取的土壤壓實(shí)系數(shù)，環(huán)境等因素與實(shí)際施工時(shí)的差異較大。

麻建軍等[17]通過研究發(fā)現(xiàn)，將收球筒上體與管道連接可有效避免在清管過程中產(chǎn)生的沙礫等雜質(zhì)在清管器兩側(cè)堆積。此方法還可以有效降低泥沙對(duì)球閥的損傷，從而降低閥門內(nèi)漏的。謝焜等[18]也對(duì)收球筒的工藝進(jìn)行優(yōu)化并給出施工和運(yùn)行過程中注意事項(xiàng)，最后給出了收球筒運(yùn)行和維護(hù)過程中重要的措施。陳文華等[19]通過“二次收球”工藝與“一次收球工藝”進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為“二次收球”工藝可有效改善收球筒附屬結(jié)構(gòu)的損傷，提高其安全性。王世斌等[20]概述了收球筒的結(jié)構(gòu)和功能并對(duì)比了不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)收球筒的成本及管理成本，指出管道設(shè)計(jì)規(guī)范比另外兩種規(guī)范更節(jié)約管理和制造成本。郭昱等[21]詳細(xì)對(duì)比了GB 50251 與ASME B31.8 中設(shè)計(jì)規(guī)范不同之處，表明ASME 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)比GB 50251 設(shè)計(jì)更為嚴(yán)格，新版GB 50251 比前兩版中嚴(yán)密性和強(qiáng)度試驗(yàn)的保守性均有所降低。此外，還有部分學(xué)者探究了法蘭對(duì)大開孔補(bǔ)強(qiáng)影響[23]及T 型異徑三通的強(qiáng)度進(jìn)行分析[24]。

綜上，通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)研究學(xué)者只針對(duì)清管器或收球筒的工藝進(jìn)行優(yōu)化及問題分析，尚未對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)下收球筒設(shè)計(jì)壁厚差異進(jìn)行分析。因此，本文基于GB/T 150[25]以及GB 50251[26]兩種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)收球筒設(shè)計(jì)壁厚差異進(jìn)行對(duì)比分析，其結(jié)果為收球筒設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選擇和壁厚差異分析提供理論支撐。

1 設(shè)計(jì)方法及原則

1.1 設(shè)計(jì)概況

本文以某實(shí)際項(xiàng)目為依托，探究了收球筒設(shè)計(jì)壁厚的影響。收球筒基本概況如表 1 所示。

表1 收球筒概況Table 1 Overview of receiving ball tube

收球筒主要由主管、錐段、直管、快開盲板及其附件組成。其中收球筒開口主要包括壓力表嘴、放空口、注水注氮口、出氣口、壓力平衡口、排污口等開口，具體開口分布如圖 1 所示。

圖1 收球筒示意圖Fig.1 Schematic diagram of receiving ball tube

收球筒各個(gè)接口由于作用不同，因此管線內(nèi)徑也不盡相同，對(duì)應(yīng)的管線的數(shù)量、連接形式及規(guī)格等參數(shù)具體如表 2 所示。

表2 收球筒接口表Table 2 Receiving ball tube interface table

1.2 GB 50251—2015 [24]設(shè)計(jì)方法

式中 δ——鋼管計(jì)算壁厚，mm；

P——設(shè)計(jì)壓力，MPa；

D——鋼管外徑，mm；

σs——鋼管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度，MPa；

φ——焊縫系數(shù)；

F—— 強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)

計(jì)規(guī)范》GB 50251—2015[24]選取，

t—— 溫度折減系數(shù)，當(dāng)溫度小于120℃時(shí)，t值應(yīng)取1.0。

1.3 GB/T 150—2011 [23]設(shè)計(jì)方法

式中 Di——圓筒的內(nèi)直徑，mm；

pc——計(jì)算壓力，MPa；

δ——圓筒或球殼的計(jì)算厚度，mm；

[σ]t—— 設(shè)計(jì)溫度下圓筒或球殼材料的許用應(yīng)力（按GB/T 150.2），MPa；

φ——焊接接頭系數(shù)。圓筒計(jì)算應(yīng)力如下：

式中 σt—— 設(shè)計(jì)溫度下圓筒或球殼的計(jì)算應(yīng)力，MPa；

[σ]t—— 設(shè)計(jì)溫度下圓筒或球殼材料的許用應(yīng)力（按GB/T 150.2），MPa；

φ——焊接接頭系數(shù)；

δe——圓筒有效厚度，mm。

1.4 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，對(duì)于三通或者支管在主管上開孔時(shí)或與支管相連接時(shí)，其開孔削弱部分可按照等面積補(bǔ)強(qiáng)原理進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。在設(shè)計(jì)過程中，兩種標(biāo)準(zhǔn)開孔補(bǔ)強(qiáng)采取同一設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50251—2015），其補(bǔ)強(qiáng)公式如下：

式中 A1—— 在有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)，主管承受內(nèi)壓所需設(shè)計(jì)壁厚外的多余厚度形成的面積，mm2；

A2—— 在有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)，支管承受內(nèi)壓所需最小壁厚外的多余厚度形成的截面積，mm2；

A3—— 在有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)，另加的補(bǔ)強(qiáng)元件的面積，包括這個(gè)區(qū)內(nèi)的焊縫截面積，mm2；

AR—— 主管開孔削弱所需要補(bǔ)強(qiáng)的面積，mm2；

di——支管內(nèi)徑，mm；

δn——與主管連接的支管管壁厚度，mm；

δn'——主管的實(shí)際厚度，mm；

δb——與支管連接的支管管壁厚度，mm；

δn'——支管實(shí)際厚度，mm。

對(duì)于實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，即當(dāng)實(shí)際補(bǔ)強(qiáng)面積大于或等于計(jì)算補(bǔ)強(qiáng)面積時(shí)設(shè)計(jì)合格。本文收球筒壁厚設(shè)計(jì)時(shí)腐蝕余量為2 mm，主管材料采用Q345R，支管材料采用16Mn。

2 設(shè)計(jì)結(jié)果及對(duì)比分析

收球筒設(shè)計(jì)不僅包括主筒體厚度設(shè)計(jì)，同時(shí)還要考慮筒體上支管的設(shè)計(jì)。為了更為直觀地對(duì)比GB 50251 及GB/T 150 兩種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)主筒體及不同支管設(shè)計(jì)厚度的影響，選取出氣口、注水注氮口、放空口、排污口以及壓力表管嘴5 種不同規(guī)格的支管形式進(jìn)行對(duì)比。兩種不同標(biāo)準(zhǔn)在不同主管壁厚選取條件下的壁厚如表 3 所示。

從表 3 中可以看出，采用兩種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)GB/T 150 滿足要求的主管最小厚度小于在相同設(shè)計(jì)條件下GB 50251 設(shè)計(jì)厚度；當(dāng)采用同一標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 150）時(shí)，主管設(shè)計(jì)壁厚取值越大支管設(shè)計(jì)壁厚越薄。這是由于采用等面積補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，當(dāng)主管設(shè)計(jì)壁厚越大時(shí)主管所提供的補(bǔ)強(qiáng)面積越大，所以支管所需要提供的面積減小，因此支管設(shè)計(jì)厚度較小。當(dāng)采用兩種標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 150 和GB 50251）對(duì)相同主管壁厚進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，GB/T 150 設(shè)計(jì)支管壁厚小于GB 50251 標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)計(jì)支管壁厚。由此可見，無論是對(duì)主管壁厚還是支管壁厚進(jìn)行設(shè)計(jì)，GB 50251 設(shè)計(jì)壁厚均大于GB/T 150 設(shè)計(jì)壁厚，設(shè)計(jì)較為保守。

表3 不同標(biāo)準(zhǔn)下主管及支管設(shè)計(jì)壁厚Table 3 Design wall thickness of main pipe and branch pipe under different standards

為排除個(gè)例影響，探究了同一標(biāo)準(zhǔn)下不同主管壁厚對(duì)支管設(shè)計(jì)壁厚的影響，結(jié)果如圖 2 及圖 3 所示。

由圖 2 和圖 3 可知，無論是基于GB/T 150 還是GB 50251 標(biāo)準(zhǔn)，隨著主管壁厚的增加支管厚度逐漸減小，即主管設(shè)計(jì)壁厚與支管設(shè)計(jì)壁厚成反比例關(guān)系。因此，在進(jìn)行主管和支管壁厚設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮主管和支管壁厚以確保兩者均處于安全范圍內(nèi)。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，支管比主管設(shè)計(jì)壁厚值不應(yīng)大于2，通常在1.4～1.6 mm 之間為宜，若兩者之間壁厚差異過大則對(duì)加工制造以及組裝焊接不利。此外，為消除安裝、焊接過程中產(chǎn)生的不安全因素，通常在確定支管壁厚時(shí)適當(dāng)增加支管壁厚以增加20%的補(bǔ)強(qiáng)面積，確保設(shè)計(jì)質(zhì)量。

圖2 基于GB/T 150 支管設(shè)計(jì)壁厚隨主管設(shè)計(jì)壁厚變化結(jié)果Fig.2 Based on GB/T 150 branch pipe design wall thickness change with main pipe design wall thickness

圖3 基于GB 50251 支管設(shè)計(jì)壁厚隨主管設(shè)計(jì)壁厚變化情況Fig.3 Based on GB 50251 branch pipe design wall thickness changes with main pipe design wall thickness

由圖 2 可知，基于GB/T 150 標(biāo)準(zhǔn)主管設(shè)計(jì)壁厚的增加，對(duì)內(nèi)徑較大的支管的設(shè)計(jì)壁厚影響更為明顯，并且隨著支管內(nèi)徑的增加，主管設(shè)計(jì)壁厚對(duì)支管壁厚的影響程度逐漸減小。由圖 3 可知GB 50251標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的支管壁厚與GB/T 150 設(shè)計(jì)的支管壁厚呈現(xiàn)相同趨勢，即主管設(shè)計(jì)壁厚對(duì)內(nèi)徑較大的支管設(shè)計(jì)壁厚的影響較小而對(duì)內(nèi)徑較小的支管設(shè)計(jì)壁厚影響較大，有所不同的是隨著主管壁厚的增加基于GB 50251 支管設(shè)計(jì)壁厚比GB/T 150 支管設(shè)計(jì)壁厚變化程度較小。通過對(duì)比可知，GB 50251 比GB/T 150 對(duì)支管設(shè)計(jì)壁厚的安全余量較大，相應(yīng)安全系數(shù)較高。

為了更為直觀地對(duì)比在相同主管設(shè)計(jì)壁厚時(shí)，不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)支管厚度的影響。探究了下三種主管設(shè)計(jì)壁厚（30 mm、35 mm、40 mm）時(shí)（設(shè)計(jì)系數(shù)為0.4），兩種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)支管設(shè)計(jì)壁厚的影響。結(jié)果如圖4 所示。

由圖 4 可知，當(dāng)主管設(shè)計(jì)壁厚一定時(shí)，基于GB/T 150 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的支管壁厚均小于基于GB 50251設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的支管壁厚。

由圖 5 可知，在設(shè)計(jì)系數(shù)為0.4 時(shí)，隨著主管設(shè)計(jì)壁厚的增加，基于GB 50251 設(shè)計(jì)的支管壁厚比GB/T 150 設(shè)計(jì)的支管厚度增加百分比幾乎呈直線增加，由此再次驗(yàn)證基于GB 50251 設(shè)計(jì)壁厚更為保守，設(shè)計(jì)安全余量更大。

圖4 兩種標(biāo)準(zhǔn)下相同主管設(shè)計(jì)壁厚對(duì)支管設(shè)計(jì)壁厚影響Fig.4 The influence of the same main pipe design wall thickness on the branch pipe design wall thickness under the two standards

圖5 相同主管設(shè)計(jì)壁厚時(shí)GB 50251 比GB/T 150 設(shè)計(jì)支管厚度增加程度Fig.5 The increase in thickness of GB 50251 compared to GB/ T 150 design branch pipe with the same main pipe design wall thickness

由于收球筒通常設(shè)置在四級(jí)地區(qū)內(nèi)，即處于四層及四層以上樓房普遍集中、交通頻繁、地下設(shè)施多的區(qū)段，因此以上分析均基于四級(jí)地區(qū)選取的設(shè)計(jì)系數(shù)（F=0.4）。如果收球筒設(shè)置在三級(jí)地區(qū)（戶數(shù)在100 或以上區(qū)段，包括市郊居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)規(guī)劃發(fā)展區(qū)以及不夠四級(jí)地區(qū)條件的人口稠密區(qū)）、二級(jí)地區(qū)（戶數(shù)在15 ～ 100 的區(qū)段）那么，設(shè)計(jì)系數(shù)F 將增加到0.5 ～ 0.6，為了探究地區(qū)選擇或設(shè)計(jì)系數(shù)對(duì)收球筒支管設(shè)計(jì)壁厚的影響，對(duì)設(shè)計(jì)系數(shù)分別為0.4、0.5、0.6（GB 50251）情況進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)比了不同設(shè)計(jì)系數(shù)下GB 50251 設(shè)計(jì)壁厚和GB/T 150 設(shè)計(jì)壁厚差異，結(jié)果如圖 6 所示。

圖6 設(shè)計(jì)系數(shù)對(duì)支管設(shè)計(jì)壁厚影響結(jié)果Fig.6 The influence of design coefficient on the design wall thickness of branch pipe

由于GB/T 150 標(biāo)準(zhǔn)中不存在設(shè)計(jì)系數(shù)，所以只針對(duì)GB 50251 標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)設(shè)計(jì)系數(shù)進(jìn)行改變。通過圖 6a 可以看出，當(dāng)設(shè)計(jì)系數(shù)從0.4 提高到0.6，此時(shí)GB 50251 算出的出氣口壁厚逐漸低于GB/T 150 計(jì)算出的出氣口壁厚。而對(duì)于內(nèi)徑相對(duì)較小的排污口（圖6b）隨著設(shè)計(jì)系數(shù)增加，設(shè)計(jì)壁厚逐漸接近GB/T 150 設(shè)計(jì)壁厚，當(dāng)設(shè)計(jì)系數(shù)增加到0.6 時(shí)，GB 50251設(shè)計(jì)壁厚比GB/T 150 設(shè)計(jì)壁厚薄，證明設(shè)計(jì)系數(shù)也是影響設(shè)計(jì)壁厚的重要原因。通過對(duì)比圖 6a 和圖 6b可知，設(shè)計(jì)系數(shù)對(duì)內(nèi)徑較大的支管壁厚影響較大，而對(duì)內(nèi)徑較小的支管壁厚影響較小。

基于以上分析，建議在選取設(shè)計(jì)壁厚時(shí)明確設(shè)計(jì)系數(shù)，綜合考慮主管及支管設(shè)計(jì)壁厚。GB/T 150未對(duì)不同地區(qū)、不同的設(shè)計(jì)系數(shù)進(jìn)行考慮，缺乏外部因素考慮。因此GB 50251 對(duì)于收球筒設(shè)計(jì)更為合理，建議采用GB 50251 對(duì)收球筒進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)制造檢驗(yàn)的影響

根據(jù)GB/T 150 以及GB 50251 進(jìn)行收球筒設(shè)計(jì)均應(yīng)符合《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)或ASME VIII 進(jìn)行制造檢驗(yàn)，并且要求具有壓力容器資質(zhì)的單位進(jìn)行制造。對(duì)于水壓試驗(yàn)，在GB 50253《輸油管道設(shè)計(jì)規(guī)范》的舊版本中規(guī)定，收球筒應(yīng)同管線一起進(jìn)行試壓。但之后在2014 版中將這一規(guī)定刪除，但目前部分項(xiàng)目仍根據(jù)這一要求進(jìn)行檢驗(yàn)。GB 50251 中規(guī)定清管設(shè)施的水壓試驗(yàn)也應(yīng)與管道一同進(jìn)行，試壓壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.5 倍。

在GB/T 150 中規(guī)定收球筒強(qiáng)度試驗(yàn)壓力應(yīng)為設(shè)計(jì)壓力的1.5 倍，若同樣和管道一起試壓會(huì)導(dǎo)致在試壓過程中所產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力大于0.9 倍的屈服強(qiáng)度。就此而言，建議盡可能選用壓力管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行收球筒的設(shè)計(jì)，這樣收球筒能與長輸管道保持更好的一致性。此外，若采用GB/T 150 進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)使用對(duì)應(yīng)的安全技術(shù)法規(guī)和專業(yè)的工程技術(shù)人員進(jìn)行日常的操作、維護(hù)和檢查。此要求遠(yuǎn)高于管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范，因此增加了使用單位的日常維護(hù)成本。綜上，建議盡量采用GB 50251 進(jìn)行收球筒的設(shè)計(jì)，既能保證管線的安全性又能節(jié)約人員和管理成本。

4 結(jié)論

研究不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)收球筒設(shè)計(jì)壁厚的差異，結(jié)果表明：

（1）就一般地區(qū)而言（四級(jí)地區(qū)）相同設(shè)計(jì)條件下，GB 50251 比GB/T 150 設(shè)計(jì)壁厚較大，安全裕量更大；主管設(shè)計(jì)壁厚與支管的設(shè)計(jì)壁厚呈反比關(guān)系，并且隨著主管設(shè)計(jì)壁厚的增加GB/T 150 設(shè)計(jì)對(duì)支管厚度比GB 50251 設(shè)計(jì)支管壁厚的影響更大；

（2）設(shè)計(jì)系數(shù)是影響兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)計(jì)壁厚的關(guān)鍵參數(shù)，并且設(shè)計(jì)系數(shù)對(duì)內(nèi)徑較大的支管壁厚影響更為明顯；由于GB/T 150 對(duì)收球筒設(shè)計(jì)時(shí)缺少對(duì)外部環(huán)境因素的考慮，而GB 50251 既能滿足收球筒安全設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)又能節(jié)約運(yùn)行及管理成本。因此，建議采用GB 50251 對(duì)收球筒進(jìn)行設(shè)計(jì)。