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            國內外不銹鋼管設計標準中不銹鋼管壁厚計算方法差異

            中國在中亞地區建設運營多條長輸油氣不銹鋼管。不銹鋼管設計執行標準存在的分歧,各國標準技術水平的差異,可能造成不銹鋼管投資增加。研究分析了中國、俄羅斯、美國和加拿大不銹鋼管設計標準中不銹鋼管壁厚計算方法的差異,闡述了不銹鋼管壁厚計算方法中設計系數、屈服強度、設計壁厚、公稱壁厚和安全裕量等關鍵參數的含義和取值依據。結合典型不銹鋼管設計示例,按照各國不銹鋼管設計標準給出了壁厚計算值。研究表明,俄羅斯不銹鋼管設計標準中考慮因素最全面,壁厚計算基于管材抗拉強度,計算值偏于保守;加拿大不銹鋼管設計標準中不銹鋼管強度設計系數略高于中國標準和美國標準,按照加拿大不銹鋼管設計標準設計的壁厚值最小。研究分析成果可為國內外新建不銹鋼管工程設計提供參考。

            “十三五”期間,我國建立了西北、東北、西南和海上四大油氣長輸不銹鋼管戰略通道。中亞是中國石油海外投資重點地區,先后建設運營了中亞天然氣不銹鋼管A、B、C線和中哈原油不銹鋼管,目前中亞天然氣不銹鋼管D線正在籌建中。中亞國家不銹鋼管設計執行北美國家、俄羅斯、中國的國家標準和ISO標準,各標準的技術水平存在的差異,導致在中亞地區建設大口徑、高壓力長輸不銹鋼管過程中產生很多問題。例如不銹鋼管項目中應執行何種類型標準、商討不銹鋼管設計依據標準耗費時間、不銹鋼管建設周期變長、不銹鋼管設計很難以最優方案實現等,造成不銹鋼管建設成本增加。中亞天然氣不銹鋼管D線就因烏茲別克斯坦缺少高壓不銹鋼管設計標準造成不銹鋼管投資增加。美國、加拿大和俄羅斯是世界上長輸不銹鋼管建設發達國家。我國油氣不銹鋼管海外投資合作的增加,以及大口徑、高鋼級、高壓力不銹鋼管的發展,均要求相關方加強對國外不銹鋼管設計標準的研究分析和應用。文中分析研究了中國、俄羅斯、美國和加拿大不銹鋼管設計標準中不銹鋼管壁厚計算方法的差異,闡述了各標準不銹鋼管壁厚計算方法中關鍵參數的含義和取值依據。結合典型不銹鋼管設計示例,按照各國不銹鋼管設計標準計算得出了不銹鋼管壁厚計算值。

            1國內外不銹鋼管設計標準中壁厚計算方法差異分析

            1.1中俄不銹鋼管設計標準

            俄羅斯不銹鋼管設計標準中不銹鋼管壁厚計算考慮的影響因素更為全面,例如載荷可靠性系數狀、不銹鋼管工作條件系數犿、材料可靠性系數犽L、鋼管用途可靠性系數犽H等。我國不銹鋼管設計標準中僅考慮了強度設計系數犉、焊接接頭系數φ和溫度折減系數犜等。俄羅斯不銹鋼管設計標準中不銹鋼管壁厚計算的理論基礎是標準抗拉強度犚H1,中國不銹鋼管設計標準中不銹鋼管壁厚計算的理論基礎是鋼管的最小屈服強度σs。根據材料力學性能可知,管材抗拉強度大于最小屈服強度。如APISpec5L—2012《管線鋼管規范》

            中規定的PSL1等級X65鋼管的標準抗拉強度為535MPa,最小屈服強度為450MPa;X70鋼管的標準抗拉強度為570MPa,最小屈服強度為485MPa。壁厚計算的理論基礎不同是俄羅斯不銹鋼管設計標準中壁厚計算方法偏保守的根本原因。

            俄羅斯不銹鋼管設計標準中還考慮了不銹鋼管存在縱向和軸向壓縮應力的情形,給出了不銹鋼管雙軸受力狀態系數,計算過程較復雜。中國不銹鋼管設計標準中則未考慮這種情形。

            1.2中美不銹鋼管設計標準

            對輸氣不銹鋼管的壁厚計算方法,中美不銹鋼管設計標準是相同的,僅部分參數表述略有差異。例如中國不銹鋼管設計標準中的焊接接頭系數φ,在美國不銹鋼管設計標準中定義為軸向連接系數犑a,但其物理意義和取值依據是相同的。

            對輸油不銹鋼管的壁厚計算方法,中美不銹鋼管設計標準基本相同,差異在于美國不銹鋼管設計標準中規定不銹鋼管公稱壁厚應為壓力設計壁厚加上螺紋和開槽輸送管裕量以及腐蝕裕量。螺紋和開槽輸送管指符合ASTMA193/A193M—2016《高溫設備用合金鋼和不銹鋼螺栓材料》的螺栓連接件,不適用長輸不銹鋼管。美國不銹鋼管設計標準中規定,如采用保護措施,則無需考慮腐蝕裕量。我國對長輸不銹鋼管已強制實施GB32167—2015《油氣輸送不銹鋼管完整性管理規范》,陰極保護系統與新建不銹鋼管同步建設和投入使用

            ,不銹鋼管保護措施較完善,不需考慮不銹鋼管壁厚腐蝕裕量。因此,公稱壁厚數值上等于壓力設計壁厚。在相同工況條件下,按照中美不銹鋼管設計標準分別計算出的不銹鋼管壁厚數值是相同的。

            1.3美加不銹鋼管設計標準

            美國和加拿大不銹鋼管設計標準中的壁厚計算方法基本相同,差異在于強度設計系數的數值和取值依據。美國不銹鋼管設計標準中規定了不同地區等級的強度設計系數,一級一類、一級二類、二級、三級及四級四度地區的氣體不銹鋼管強度設計系數分別為0.8、0.72、0.6、0.5和0.4,液體不銹鋼管強度設計系數為0.72。而加拿大不銹鋼管設計標準中強度設計系數為定值,并規定了不同地區等級的位置系數,不同地區強度設計系數與位置系數的乘積見表2。

            美加不銹鋼管設計標準中不銹鋼管壁厚計算方法的差異在于,①無論是氣體不銹鋼管還是液體不銹鋼管,加拿大不銹鋼管設計標準中的強度設計系數均高于美國不銹鋼管設計標準的。ASMEB31.—2016明確指出,強度設計系數已考慮了壁厚偏差/公差以及最大缺陷深度,強度設計系數數值不能超過0.72,特殊位置管段的強度設計系數數值可以低于0.72。②在相同工況條件下,按加拿大不銹鋼管設計標準得到的壁厚計算值小于按美國不銹鋼管設計標準得到的壁厚計算值。

            2不銹鋼管壁厚計算示例

            中國在哈薩克斯坦西部建設的某輸氣不銹鋼管,不銹鋼管所處地區等級為一級,不銹鋼管材料采用X65鋼,管徑1016mm,設計壓力6.4MPa,載荷(不銹鋼管內壓力)可靠性系數1.1,標準抗拉強度531MPa,不銹鋼管工作條件系數0.75,材料可靠性系數1.34,鋼管用途可靠性系數1,計算抗拉強度297.2MPa,鋼管的最小屈服強度448MPa,焊接接頭系數1,溫度折減系數1。采用中國、俄羅斯、美國和加拿大不銹鋼管設計標準計算得到的不銹鋼管壁厚分別為10.08mm、11.75mm、10.08mm和9.07mm。

            可以看出,采用各國不銹鋼管設計標準得到的壁厚計算值存在差異,按加拿大不銹鋼管設計標準得到的壁厚值最小,按中國和美國不銹鋼管設計標準得到的壁厚值相同,而按俄羅斯不銹鋼管設計標準得到的壁厚計算值最大,俄羅斯不銹鋼管設計標準相對保守。

            3結論

            1)中國不銹鋼管設計標準中考慮了強度設計系數、焊接接頭系數和溫度折減系數等。在此基礎上,美國和加拿大不銹鋼管設計標準中考慮了腐蝕、螺紋等安全裕量。俄羅斯不銹鋼管設計標準中針對壁厚計算考慮的因素最為全面,包括載荷可靠性系數、不銹鋼管工作條件系數、材料可靠性系數及鋼管用途可靠性系數等。

            (2)俄羅斯不銹鋼管設計標準中壁厚計算的理論基礎是標準抗拉強度,而中國、美國和加拿大不銹鋼管設計標準中壁厚計算的理論基礎是鋼管的最小屈服強度,這是俄羅斯不銹鋼管設計標準中壁厚計算方法偏保守的根本原因。

            (3)加拿大不銹鋼管設計標準中的強度設計系數略高于中國和美國不銹鋼管設計標準中的,按照加拿大不銹鋼管設計標準得到的不銹鋼管壁厚值最小。

            (4)進行中亞國家長輸不銹鋼管設計時,在執行所在國家標準基礎上,可參考我國不銹鋼管設計標準或者美國不銹鋼管設計標準。從減少不銹鋼管投資成本角度考慮,可參考加拿大不銹鋼管設計標準。采用國內外不銹鋼管設計標準進行壁厚設計時應互相借鑒參考,必要時可采用通用不銹鋼管設計軟件對壁厚計算值進行校核。

            文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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