管线钢制管道设计与计算

1、概述

 　　管道主要用于输油输气管路中设备之间的连接。管道按压力可分为长输管道、公用管道和工业管道。按内压可分为真空管道、中低压管道、高压管道和超高压管道,按介质可分为蒸汽管道、燃气管道和工艺管道等。按材料可分为合金钢管道、不锈钢管道、碳钢管道、有色金属管道、非金属材料和复合材料管道等。

2、设计

2.1、压力

 　　管道系统每个组件的设计压力应不小于操作中可能遇到的最大内压或外压与温度最低或最高的最严酷组合情况下的压力。

 　　(1)内压设计　设计内压包括静压力,不应小于管道系统内部流体最大的持续工作压力。

 　　(2)外压设计　对于承受外压的管道,设计时应取在运行、停机或试验工况下的预期最大压差值。

 　　(3)保压或泄压设计　对管道可能承受的任何压力应作出安全保压或泄压的规定,没有压力泄放装置保护或压力泄放装置隔离的管道,至少应按其可能产生的最大压力来设计。

2.2、温度

 　　管道的设计温度应为在预期最大持续运行条件下的金属温度或应不小于流体温度和外壁温度的平均值。在确定设计温度时,至少要考虑流体温度、环境温度、阳光辐射、加热或冷却介质的温度等。

 　　(1)最低温度的设计　设计的最低温度是组件预期工况中的最低温度,按此温度可能确定特殊设计要求和材料评定要求。

 　　(2)外部保温的设计　管道应采用伴管或夹套加热或冷却,在确定设计温度时应将这种影响考虑在内。

 　　(3)内部保温的设计　组件设计温度应按传热计算或试验来确定。

 　　(4)管道高温的设计　当管道运行温度超过425℃的设计温度时,应考虑超过设计温度长期运行导致过大原蠕变应变引起的加速蠕变损伤和潜在的管道断裂。

2.3、环境影响

 　　(1)流体冷却　管道中流体的冷却使管内压力降至低于大气压力,甚至产生内部真空。在这种情况下,管道应能承受外压或应采取防止出现真空的措施。

 　　(2)流体膨胀　管道中流体的膨胀可能会增加压力,管道系统应设计成能经受住所增加的压力或应作出释放超压的规定。

 　　(3)低温　当管道系统的设计最低温度< 0℃时,应考虑湿气凝结和结冰的可能性,并在设计中采取措施以防止因此而出现的故障。对低温环境条件应考虑位移应力分析。

2.4、动力效应

 　　(1)冲击　管道设计中应考虑由于外部或内部条件引起的冲击力。其中包括流体流速的变化、水击、液体或固体物质的撞击、暴涨或喷发。

 　　(2)风载　设计室外管道时,应考虑风载的影响,可应用气象资料来决定风力。

 　　(3)振动　应合理设计管道的布置或支撑,以消除过度和有害的振动影响,振动可能由输送物的冲击、压力脉动或紊流旋涡而产生。

 　　(4)地震　设计管道、管道支架和约束时应考虑由地震引起的水平力。

 　　(5)反作用　在管道设计、布置和支撑方面,应考虑能承受由于流体的减速或排放而产生的反作用力。

2.5、重载的影响

 　　(1)动载荷　动载荷包括输送的流体自重,还应考虑由于环境条件下造成的雪和冰的载荷。

 　　(2)静载荷　静载荷包括管道组件、保温材料、防护衬里和套层以及其他叠加在管道上的永久载荷。

 　　(3)试验或清洗流体载荷　试验用的和清洗用的介质载荷。

2.6、热膨胀的影响

 　　(1)约束而产生的热载荷　由于被约束和固定而使管道不能自由热膨胀和收缩而引起轴向力和力矩。

 　　(2)温度梯度形成的载荷　这些载荷是由于温度发生急剧的变化,或由于温度分布不均匀而在管壁中产生的应力所形成的,如由于一股高温流体通过一根比较厚的管道或由于层流而产生管线的弯曲。

 　　(3)膨胀特性不同而产生的载荷　由于两种材料具有不同的热膨胀性能结合在一起而产生的。如双金属管、有衬里的管道、带夹套的管道、金属与非金属结合的管道。

2.7、其他影响

 　　(1)支架和管端位移　管道设计中应考虑管道支架、固定架和连接设备位移的影响。

 　　(2)韧性降低　应考虑管道材质韧性降低的有害影响。如由焊接、热处理、成形、弯曲或低温操作。

 　　(3)循环载荷　管道设计中应考虑由于应力循环、热循环和其他循环而产生的疲劳。

 　　(4) 空气冷凝　当在大气中操作温度低于- 191℃时,会发生冷凝和氧的富集,因而在选择材料包括保温材料应予考虑,并应采取适当的保护或处理的措施。

 　　(5)螺栓连接　金属管道组件上的承压螺栓连接用的螺纹孔应有足够深度,以使螺纹的啮合长度为7～8倍螺纹公称直径。

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5、防腐措施

 　　管道表面易受周围大气或土壤等腐蚀, 因而必须采取措施进行防腐, 为区别输送不同介质的管道也必须在管道最外层表面上涂以不同颜色的油漆或色环。

5.1、地上管道的防腐

 　　地上管道外表面与周围大气相接触,易受腐蚀,通常采用涂料(油漆)使金属与周围大气、水分、灰尘及腐蚀性介质相隔绝,从而受到防腐保护。常用防腐涂料有酚醛树脂、沥青、环氧树脂、聚氨酯、橡胶和无机富锌涂料等。常用涂漆方法有人工涂刷和机械喷涂两种。

5.2、埋地管道的防腐

 　　埋地管道会受到土壤腐蚀,主要为电化学腐蚀。其土壤腐蚀性主要与土壤中可溶部分的性质、数量、含水量、透水性、微生物和有机物等有关。埋地管道穿越铁路、道路、沟渠以及改变埋设深度时的弯管处。防腐蚀涂层可选用石油沥青或环氧煤沥青防腐漆。根据防腐等级选用不同的层结构和涂层总厚度。

5.3、海水管道的防腐

 　　海水管道在海洋环境中的腐蚀速率依所处位置的不同而异。所处的位置有海洋大气、飞溅带、潮差带、全浸带和海泥带等。对海水管道涂层的主要要求有抗拉伸、抗弯曲、抗水渗透、抗阴极剥离、耐冲击和良好的粘附性等。防腐蚀涂层可选用煤焦油瓷漆、沥青类或熔结环氧粉未涂层等。

6、结语

 　　钢制管道作为石油和天然气的一种经济、安全、不间断的长距离输送工具得到了巨大的发展,这种发展在将来仍将持续下去。钢制管道主要用以输送、分配、混合、分离、排放、计量或控制流体流动等功能。管线管道的管子应具有高强度、高抗挠刚度、高的抗震性和高耐冲击性,并采用优良的焊接技术将管子焊接成没有接头的整体结构,这就大大提高了管道输送压力和大口径增加,降低了成本和维修费用。