天然气长输管道冷弯弯管界限角度的研究

天然气长输管道冷弯弯管界限角度的研究

赵晨阳

北京石油化工工程有限公司西安分公司 陕西 西安 710000

摘要：在天然气长输管道设计中，站外管道敷设一般采用沟埋敷设，管道变向通过弹性敷设、冷弯弯管和热煨弯管三种形式来实现。文章通过对冷弯弯管界限角的研究，使得在实际工程设计中三种管道变向的形式能够得到合理划分。

关键词：天然气管道；弹性敷设；冷弯弯管；热煨弯管

0.引言：随着我国天然气使用量的增加，国内天然气管道的敷设任务也日益剧增。实际天然气长输管道站外敷设施工中，热煨弯管需工厂预制后运送至施工现场，相比弹性敷设和冷弯弯管投资较大且供货周期较长，所以天然气长输管道在工程设计中对三种管道变向形式的合理划分及选用对现场施工周期起着至关重要的作用。本文以《子长东-永坪天然气管输工程》为例，该工程设计压力6.3MPa，管道钢级L415M，一般段管道材质为螺旋埋弧焊钢管（SAWH），冷弯弯管和热煨弯管母管均采用直缝埋弧焊钢管（SAWL），管道外径为D457mm，弹性敷设曲率半径取1000D（D为管道外径），冷弯弯管曲率半径取40D（D为管道外径）且整根管道长度为12m，热煨弯管曲率半径取6D（D为管道外径），以上述基础条件为参数，就天然气长输管道的冷弯弯管界限角进行进一步讨论总结。

1.冷弯弯管的下限角（弹性敷设的上限角）

理论上冷弯弯管的下限角即为弹性敷设的上限角，故可对弹性敷设的上限角进行计算以确定冷弯弯管的下限角。根据《石油化工工程设计工作手册 第五册 输气管道工程设计》中第四章第九节第一小节规定，当管道自重产生的扰度f大于或等于管沟纵向形成的扰度时，才能使管线紧贴沟底，考虑到陆地管道为连续敷设，管道按均布载荷，支承条件介于简支梁和两端嵌固的中间状态，在弹性敷设管道的曲率半径满足管子强度要求且管道最小曲率半径不小于钢管外径的1000倍（R=457m）的前提下，扰度系数取3/384，通过对不同圆心角所对应的管道允许的最小曲率半径进行计算，所计算出的结果再跟设计要求的管道最小曲率半径即1000D（R=457m）进行对比，在某个圆心角所对应的管道允许最小曲率半径刚好大于或等于设计所要求的管道最小曲率半径值时，该角度即为弹性敷设上限角（冷弯弯管下限角）的理论值。弹性弯曲敷设分析图详见图01，管道允许的最小曲率半径宜按下式计算：

（1）

式中 —最小曲率半径，cm；

E—钢材弹性模量，N/cm²；

I—管子截面惯性矩，cm⁴；

q—管子单位长度的重力，N/cm；

α—管道纵向偏角，（°）。

将E=2.06×10⁷N/cm²，I= ，q= 带入上式，令D≈d，则上式可简化为：

（2）

式中D—管道外径，cm；

d—管道内径，cm。

图1 弹性弯曲敷设分析图

根据上述公式进行反推验证，最终可确定当弹性敷设角度为6°时，ρ计算结果约为466.84m，角度为7°时，ρ计算结果约为421.29m。弹性敷设需满足的条件为敷设角度所对应的曲率半径（ρ）应涵盖设计时所取用的曲率半径（1000D），故ρ≥1000D，所以D457管道弹性敷设上限角即冷弯弯管下限角理论值为6°。

2.冷弯弯管的上限角（热煨弯管的下限角）

理论上冷弯弯管的上限角即为热煨弯管的下限角。冷弯弯管是施工单位在现场采用弯管机将整根管道弯曲到合适的角度，正常情况下管道曲线为圆弧。根据《石油化工工程设计工作手册 第五册 输气管道工程设计》中第九节第三小节规定现场冷弯弯管的两端应留各为2m的直管段，本工程管道单根长度为12m，故在符合设计要求的冷弯弯管曲率半径（R=40D）的前提下，圆心角所对应的弧长不应大于12-4=8m，弧长计算公式概述图详见图02，弧长计算公式如下：

（3）

（4）

式中n—圆心角度数（角度制）；

r—半径；

L—圆心角弧长；

—圆心角度数（弧度制）。

图2 弧长计算公式概述图

根据上述公式进行计算，最终可确定当管道弯曲角度为25°时，L的计算结果约为7.98m，管道弯曲角度为26°时，L的计算结果约为8.30m。冷弯弯管需满足的条件为管道弯曲角度所对应的弧长不应大于8m，故L≤8m，所以D457管道冷弯弯管的上限角即热煨弯管的下限角理论值为25°。

3.结论

理论情况下，D457管道6°以下管道变向形式采用弹性敷设，6°~25°管道变向形式采用冷弯弯管，25°以上管道变向形式采用热煨弯管。结合现场施工条件、管道沿线所经地形地貌、管道沿线地下水情况等综合因素考虑，该工程管道4°以下管道变向形式采用弹性敷设，4°~20°管道变向形式采用冷弯弯管，20°以上管道变向形式采用热煨弯管。

根据以往工程经验，在进行站外管道工程设计过程中，对于管道弹性敷设和弯头弯管选用时，还应考虑以下几点：

当管道在横向和纵向同时存在角度弯曲时，不应采用弹性敷设；

当弹性敷设方向向上时，应考虑弹性敷设之后管道的最小埋深是否能够达到要求；

当弹性敷设方向向下时，应考虑弹性敷设之后管道的最大埋深是否满足管道径向失稳校核所计算的最大埋深。

当存在相邻弹性敷设且两处弹性敷设的方向相反时，两处弹性敷设之间需用直管段连接，直管段的长度不应小于管道的外径，且不应小于0.5m。

确定冷弯弯管的上限角度时还应考虑管道外防腐，以防角度过大而致使管道外防腐破裂等情况发生。

4.结语

在站外管道工程设计中，管道转向形式的选择与管沟开挖土石方量之间的平衡不仅对管道工程投资至关重要，也对后期施工时的施工周期、施工难度以及施工成本都起着决定性因素，同时管道转向方式的选择也应该根据施工现场实际情况以及管道沿线地形地貌、地质信息等因素综合考虑，一般情况下，设计过程中考虑管道转向方式的顺序依次为管道弹性敷设、冷弯弯管、热煨弯管。

参考文献：

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