ASTM 长输油气管系统设计安全规范

1ASTM长输油气管系统设计安全规范用于高压输气钢管的特殊标志载于最近一版的ASME标准“高压输送管线”ASMEB31.8中，输气系统的特殊配件，以及典型的细节与设计方面的建议均列入本章。基本流量方程式纯理论气体流动公式：多年来管道工业在不同程度上成功地应用了一些在水平输送管道中的计算等温气流的公式，最新的纯理论公式为：LDZTGQBfPP)(522221=−其中：B=尺寸常数=76.86；D=内径，吋（in）；f=摩擦系数（O维，无量纲）；L=管线长度，英里（Mile）;G=煤气比重（空气比重）；P1=线上初始压强，磅/吋2（psia）；P2=终点压力，磅/吋2（psia）；Q=流率，千呎3/小时（MCF/HR）；T=测得的煤气绝对温度，0R（0F+460）；Z=压缩系数，在平均流量下的（O维，无量纲）。对于管线内的流体，考虑到不同的高程差，应当采用经J.W.Ferguson的高度修正法的理论气体流量公式来计算不同高度时压力分布的影响：esLDZTGQfPeP)(68.76522221=−其中：P1=上游煤气压力，磅/吋2（psia）；P2=下游煤气压力，磅/吋2（psia）；e=自然对数的底，2.71828；es=高程修正因子；2f=摩擦系数（无量纲）；G=煤气比重（空气比重=1）；T=煤气流动温度，0R（0F+460）；Q=煤气流率，千呎3/小时（MCF/HR）；Z=压缩系数;L=本管线的长度，英里（Mile）;H=本管线的高程差，呎（feet）（上坡为正，下坡为负）；s=GH/（26.647TZ）；Le=有效长度，（es-1）L/s;D=管线内径，吋（in）。管线的设计公式煤气管道系统所需的设计压力或者是对于给定的设计压力下所需的钢管公称壁厚可以用下述公式计算：DStFETP2=其中：P=容许的设计压力，piag（磅/吋2表压）；S=屈服强度，piag（磅/吋2表压）；D=管线公称外径，in（吋）；t=钢管公称厚度，in（吋）；F=设计因数，其数值参看表1地区分类表（除表2表所规定的之外）；E=管道纵向连接因数，取决于钢管生产方式（参看表3）；（螺旋焊，UOE，JCOE……）T=温度下降因数（参看表4）。设计时的地区分类：输气管道破损的可能随建筑物的集中程度而上升。有一种方法是加上保护管线安全的系数，按照公众活动强度来降低管子的允许强度水平。美国机械工程师协会ASMEB31.8将公众活动强度量化了：首先将埋设地区分类，再将适当的设计因数引进管道设计中。3ASMEB31.8将地区分类如下：第1类地区：一英里（哩）管线两侧有10座或少于10座的住人建筑物，该类地区代表荒地、沙漠、山脉、牧场、农场和人烟稀少的地区。第2类地区：一英里（哩）管线两侧有10座以上到46座以下的住人建筑物，该类地区的人口密度介乎第1类地区和第3类地区之间，如市、镇边缘，工厂区、大牧场或乡间别墅等等。第3类地区：一英里（哩）管线两侧有46座以上的住人建筑物（有别于第4类地区，该3类地区包括大城市郊区的住宅开发区、购物中心、住宅区，工业区和其它人口不及第4类地区稠密的地区。第4类地区：包括高层建筑物集中区域，交通繁忙，人口稠密和拥有多种地下设施的地区，多层建筑是指包括地面上在4层以上的建筑（包括底层和一层在内）。表1基础设计因素F2地区分类设计因素F1类地区，1分区0.801类地区，2分区0.722类地区0.603类地区0.504类地区0.404表2管线建设设计因素[2]地区分类1类地区设施名称1分区2分区2类地区3类地区4类地区1．管线，主输线及用户支线0.800.720.600.500.402．穿过道路、铁路的不带套管的管线①私人道路0.800.720.600.500.40②未改善的公路0.600.600.600.500.40③带硬路面的公路，高速路或街道及铁路0.600.600.500.500.403．带有套管的，穿过道路和铁路的管线①私人道路0.800.720.600.500.40②未改善的公路0.800.720.600.500.40③带硬路面的公路，高速路或街道及铁路0.600.600.600.500.404．预制的管线组合0.600.600.600.500.405．桥上的管线0.600.600.600.500.406．加压站内的管线0.500.500.500.500.407．第1、2类地区中人口集中的地区0.500.500.500.500.40穿过铁路、车道和人行道的管线和干线，或者铺在桥上的管线、干线的设计因素必须按照前述的地区分类（桥梁所在的地区）来选定，除了1类地区外，必须采用的设计因素为0.6。流体温度（校正公式）最初建立的沿管线上任一点流体温度的较准确的校正公式是由CharlesE.Schorre于1954年提出的，然而，按照Schorre的公式，流动的气体温度沿着管线的走向逐渐降低，总是达不到预期的平衡值，因为Joule-Thompson的冷却效应受到管线周围的温热土壤提供的热量的影响。1979年，D.M.Coulter和M.F.Bardon导出了下列公式，给出了流动气体的温度按对数级下降的渐近值，接近低于地面温度的数值。+++−=−dXdPaTedXdPaTTTgaXgµµ12式中：μ=焦耳-汤普逊系数，F0/psi（0F/磅/吋2）；5X=距离，ft（呎）；P=压力，psi（磅/吋2）；T1=气体初始温度，0F；T=在X2的气体温度，0F；Tg=平均地面温度，0F。；a=2πRU/(qCp)，π=3.1416；R=管线半径，ft（呎）；U=热传导系数，B.T.U./(h·0F·ft2)，（英热单位/（h·0F·呎2)）；q=气体流量，MCF/HR，（百万立方呎/小时）；Cp=常压下的气体比例，B.T.U./(0F·MCF)，（英热单位/(0F·百万立方呎)）。表3纵向联接因素E[2]标准号管线等级因素E无缝管1.00电阻焊管1.00ASTMA53炉内对焊管-连续焊管0.60ASTMA106无缝管1.00ASTMA134电弧熔融焊管0.80ASTMA135电阻焊管1.00ASTMA139电熔焊管0.80ASTMA211螺旋焊管0.80无缝管1.00ASTMA333电阻焊管1.00ASTMA381双面埋弧焊管1.0013，23，33，43，53级0.80ASTMA671电熔焊管12，22，32，42，52级1.0013，23，33，43，53级0.80ASTMA672电熔焊管12，22，32，42，52级1.00API5L无缝管1.00ASTMA电阻焊管1.00ASTMA闪光电焊管1.00ASTMA炉内对接焊管0.60ASTMA埋弧焊管1.00注：ASMEB31.8给出了焊管等级的定义。6表4钢管温度下降因素T[2]温度0F温度下降因素T250O及250O以下1.0003000.9673500.9334000.9004500.867注：欲求具体温度下的T，请用插入法计算。译者按：石油部原顾问，西气东输项目经理部高级技术顾问、中科院金属研究所研究员王仪康先生介绍：石油部西气东输工程部确定的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类地区划分标准是按人口密度计算，与西方标准不同，列表如下：Ⅰ类地区每平方公里居住人口5人以下建议采用螺旋焊管Ⅱ类地区每平方公里居住人口100人以下建议采用螺旋焊管Ⅲ类地区中小城镇建议采用UOE直缝焊管Ⅳ类地区人口密度的大城市（如上海）建议采用UOE直缝焊管曹荫芝译姚衛薰校