长输管道(陆上OnShore)相关计算

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Jul 2, 2021

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长输管道计算的相关参考

一、管道的一些基础判定

1、流体类别 Fluids Category

根据SP-1211 管道输送的流体，应根据其潜在危害程度，划分为以下 5 个类别：

A 类流体 仪表风、不可燃水基流体。示例：水（如注水管线、水处理 / 排放管线、供水管道）

B 类流体 在环境温度、常压条件下呈液态的易燃流体。示例：稳定原油、成品油

C 类流体 易燃多相液态流体。示例：未稳定原油（如油田间集输总管 / 输油管线）、采出液管线输送的原油

D 类流体 环境温度、常压条件下呈气态的易燃多相流体（如采气管线 / 输气干线、气举管网管线、外输天然气管线等）

E 类流体 高含硫高危流体

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区别流体类别主要是对应设计的规范不同：输送 A 类、B 类流体的管道，应按照ASME B31.4《液态烃和其他液体管线输送系统》进行设计与施工。输送 C 类、D 类、E 类流体的管道，应按照ASME B31.8《输气和配气管道系统》进行设计与施工。 *液化石油气（LPG）与无水氨，虽归属于 ASME B31.4 规范的管控范畴，但属于 D 类流体。因此，输送上述介质的管道，必须按照 ASME B31.8 规范及本专项规范（SP）的附加要求进行设计。 *超出 ASME B31.8/B31.4 温度适用限值的界区外管线（如蒸汽管线），应按照 ASME B31.3《工艺管道规范》进行设计

2、管道关键等级 Pipeline Criticality Classes

用于划定管道关键性等级的风险评估矩阵，需综合考量管道失效可能性（主要与预期腐蚀速率相关）与失效后果两项核心要素。所有独立管线（包括长输管道、汇管及集输管线）均应划入三个管道关键性等级中的一类，下文分别简称为Class 1、Class 2 与 Class 3。

失效可能性等级划分：

N 级：无失效可能性

L 级：低失效可能性，如仅在异常工况下存在失效风险

M 级：中等失效可能性，正常工况下存在失效风险

H 级：高失效可能性，如腐蚀速率＞0.5mm/年

失效后果性等级划分：

L 级：低后果

M 级：中等后果

H 级：高后果

E 级：极高后果

3、最小覆土要求

本条款所述覆土厚度，均以原状地面标高为计算基准。埋地管道上方应设置高度不小于 750mm 的护管土埂，作为附加防护措施。

输送 A 类、B 类流体的管道，其最小覆土厚度应满足上述 1 类地区的相关要求。

极硬岩地段的 1 类地区钢制管道、玻璃钢（GRP）管道及集输管线，可考虑采用浅埋敷设方式。若能通过计算论证，管道在无任何附加压重防护的情况下不存在上拱屈曲（上拱失稳）风险，则最小覆土厚度 0.3m 的浅埋敷设方案可予认可。若存在上拱屈曲风险，则获批采用浅埋敷设的管道全段，应设置石笼或同类压重防护装置作为附加防护措施。典型图纸详情参见 SP-1208。获批采用浅埋敷设的管段，应每间隔 2km 设置一处经专项设计的车辆通行穿越保护设施。

硬岩开挖，指需要采用爆破或岩石切割（破碎）方式作业的开挖工程。

4、管道与人员常驻建筑物之间的最小间距参考

设计系数不超过 0.4 的管道

设计系数不超过 0.72 的管道

——间距,m;

——管道外径,若管道外径小于150mm,D应取150mm,mm;

——管道壁厚,若壁厚小于9.5mm,t可取9.5毫米;若壁厚大于13.5毫米,t必须取13.5 毫米,mm;

——管道最大允许操作压力（MAOP),若管道运行压力低于35barg,P应取35barg,barg

——介质系数;

5、管道开料

下文给出用量指导值。超出下述指导值的额外备用管材用量，必须经业主方审批意。

针对每种管径，除上文所述备用管材外，应会同焊接工程师协商确定，额外采购用于焊接工艺评定 / 焊工资格评定试验的备用管线钢管。

若业主方提出要求，陆上管道的管线钢管应急储备量，应按每种管径不少于 60 米配置。

炉批号、生产厂家等管道溯源信息，应在备用钢管上做永久性标识，以备后续查阅与追溯管理。

6、管道材料

无缝钢管（SMLS）、高频焊接钢管（HFW）、埋弧焊钢管（SAW）可适用于绝大多数输送工况。针对高频焊接（HFW）钢管，还应遵循以下规定：

高频焊接钢管不得用于高危酸性服役工况；

X52 及以下钢级，钢管径厚比（D/t）不得大于 75；

X52 以上钢级，钢管径厚比（D/t）不得大于 65；

钢管最大壁厚不得超过25mm。

二、管道计算（ASME B31.4）

1、壁厚计算 Wall Thickness Design

As per ASME B31.4-2022 403.2 Criteria for Pipe Wall Thickness and Allowances：

——满足压力及各种裕量要求的公称壁厚,mm;

——设计内压，MPa(g);

——输送外径，工艺专业输入条件mm;

——设计系数，≤0.72;As Per P24 of SP-1211；

——焊接接头系数，1.0；As Per Table403.2.1-1;

——管道规定的最低屈服强度，MPa;As per Table D-1 of ASME B31.8；

——腐蚀余量+螺纹深度+额外保护厚度，1.5mm；

公式推导过程

直管段钢管的公称壁厚应等于或大于根据以下公式计算得出的：

——满足压力及各种裕量要求的公称壁厚

——内压算出来的设计壁厚

——腐蚀余量+螺纹深度+额外保护厚度

侵蚀余量（如果输送管道和部件已经按照VIII章中规定的要求和方法采取了防止措施，则不必考虑管壁的腐蚀余量）；

螺纹及开槽管深度裕量（如采用螺纹管 404.8.3）；

考虑保护措施时所增加的壁厚根据403.1所规定的情况；

内压引起的环向应力是管道中最关键的应力，根据ASME B31.4 402.3钢管内压设计壁厚为：

——根据内压计算的设计壁厚，mm;

——设计内压，MPa(g);

——输送外径，mm;

——管子许用应力,MPa;

——设计系数，≤0.72;

——焊接接头系数，As Per Table403.2.1-1;

——管道规定的最低屈服强度，MPa;

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高频电阻焊（HFW）钢管的径厚比D/t验收准则： X52 及以下钢级最大值为 75； X52 以上钢级最大值为 65；非高频电阻焊（HFW）类钢管的径厚比D/t验收准则：最大值为 96

2、应力核算 Combining of Stresses (Restrained pipe)

受限管道是指轴向热胀冷缩变形被完全约束，无法通过弯头/弯管的柔性变形吸收热位移，温度变化产生的变形全部转化为轴向压/拉应力的管道。与非受限管道的核心区别：受限管道的热膨胀应力是轴向一次应力，需与持续应力叠加校核；非受限管道的热膨胀应力是弯曲/扭转二次应力，单独校核，二者计算公式、许用限值完全独立，严禁混用。常规埋地干线直管段、弹性敷设段、穿越段，完全不需要考虑非受限管道的计算；仅在特定柔性管段场景，必须按非受限管道规则计算。

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站场 / 阀室的进出站管段、泵 / 流量计等设备连接管段；

管道架空跨越段、无固定约束的地上管段；

埋地管道的 Π 型 /Ω 型热膨胀弯（无锚固、用于吸收干线热位移的柔性管系）；

两个锚固墩之间的带弯头短管段；

站场工艺管道、清管 / 计量橇内的连接管段。

步骤一：计算环向应力 Hoop Stress

环向应力（内压）Hoop Stress From Internal Pressure

As per ASME B31.4-2022 402.3 Stress From Internal Pressure：无论是受约束的不受约束的管道，由内压引起的环向应力计算公式：

——由内压引起的环向应力，MPa;

——设计内压，MPa(g);

——输送外径，mm;

——管道壁厚，mm；

环向应力（外压） Hoop Stress From External Pressure

As per ASME B31.4-2022 402.4 Stress From External Pressure：对于受约束和不受约束的管道，外部压力产生的环向应力的计算方式与内部压力产生的环向应力相同，只需用代替即可。在该方程中，外部压力产生的压应力为负值。海上管道系统需要额外考虑一些因素。

步骤二：计算热膨胀应力 Stress From Thermal Expansion

As per ASME B31.4-2022 402.5 Stress From Thermal Expansion：

——热膨胀应力，MPa;compressive stress压应力取负值，tensile stress拉应力取正值；

——钢材弹性模量，MPa;

——线性膨胀系数，mm/mm/℃;As per ASME B31.4 402.2.1:对于碳钢及低合金高强度钢，温度不超过 250°F 时，其线性热膨胀系数可取为 6.5×10⁻⁶ in./in./°F （温度不超过 120℃时，可取为 11.7×10⁻⁶ mm/mm/°C）。

——管道安装时的温度，℃;

——工作/环境最高或最低温度，两个都要计算，最高温度对应压力，最小温度对应拉力，℃;

步骤三：计算弯曲应力 Bending Stress

主要分为以下三种：

持续载荷弯曲应力：自重、土压力、长期不均匀沉降

偶然载荷弯曲应力：地震、洪水、第三方临时载荷；

约束管道非约束管道同步给出弯曲应力的基础计算公式：

——弯曲应力，MPa;

——管道截面的弯矩，；

——管道的截面模量，;

——应力增强系数，直管段取1.0;

场景1:弹性敷设弯曲应力：管道弹性敷设(长输主要计算核对这一场景)

冷弯管加工的塑性变形阶段，不可用该公式计算最终残余应力，仅用于校核冷弯过程中的弹性极限弯曲半径。由基础公式推导变形简化得到：

——弹性弯曲应力，MPa;

——弹性模量，MPa(g);

——管道外径，mm;

——设计弹敷半径，mm;可根据75%*SMYS的值反推最小R值。

公式推导过程

曲率-弯矩方程

——截面弯矩，;

——弹性模量，MPa(g);

——截面惯性矩，

——弯曲半径,mm;

空心圆截面的惯性矩公式：

空心圆截面的截面模量：

——空心圆截面的惯性矩;

——管道外径，mm;

——管道内径，mm;

——管道最外侧到中性轴的距离，圆形截面中性轴过圆心，因此

带入弯曲应力基础计算公式：

场景2:持续载荷产生的弯曲应力+偶然载荷：自重、土压力、长期不均匀沉降；地震、洪水、第三方临时载荷；（一般不单独核算）

——管道外径，mm;

——截管道内径，mm;

——管道单位长度均布荷载，N/mm;

——计算跨度，mm，

公式推导过程

曲率-弯矩方程

——持续载荷弯矩(+偶然载荷)，;

——管道单位长度均布荷载，N/mm;

——计算跨度，mm，

空心圆截面的惯性矩公式：

空心圆截面的截面模量：

——空心圆截面的惯性矩;

——管道外径，mm;

——截管道内径，mm;

——管道最外侧到中性轴的距离，圆形截面中性轴过圆心，因此

带入弯曲应力基础计算公式：

步骤四：纵向应力 Longitudinal Stress

As per ASME B31.4-2022 402.6 Longitudinal Stress：

——纵向应力，MPa;

——热膨胀应力，MPa;

——由内压引起的环向应力，MPa;

——弹性弯曲应力，MPa;

——轴向力，例如立管上的重量，;

——公称管道横截面的金属面积，;

步骤五：等效应力 maximum distortion energy theory

受约束管道中，轴向应力与环向应力依据最大切应力理论按如下方式组合：

——等效组合应力，MPa;von Mises Equivalent stress ;

——由内压引起的环向应力，MPa;

——纵向应力，MPa;

——扭转应力，MPa;

步骤六：应力核对

As per ASME B31.4 403.3.1

3、弯管壁厚减薄核算Wall Thickness Effect in Bends

As per BSI PD 8010-1:2015+A1:2016

步骤一：计算过径比（内弯曲半径/外径）

——内弯曲半径/外径;

——弯曲半径，mm;

——管道外径，mm;

步骤二：计算壁厚减薄系数

步骤三：计算减薄后的壁厚

——管道弯曲减薄后的壁厚，mm;

——管道选用壁厚，mm;

步骤四：与计算的壁厚比较。

4、全真空（净外压）计算Full Vacuum (Net external pressure) Calculations

水压试验后清管排水工况：长输管道最常见的真空高风险场景。清管器排水时，若运行速度过快、末端阀门关闭不当，清管器后方管段会形成瞬时全真空，极易导致大口径薄壁管永久性瘪管变形；海外项目有的明确要求，排水方案必须附全真空计算书。 定向钻 / 穿越管段回拖工况：穿越管段回拖时，管内排空形成负压，需叠加水土外压做全真空组合工况校核。 As per ASME Sec VIII Rules for Construction of Pressure Vessels Div 1, UG-28, 核心原理：外压作用下圆桶形壳体及管子的设计。

在外压作用下管子最小需要厚度: ——管子外径，mm;

——有效壁厚，mm;

——图G确定的系数;

——最小需要壁厚，管道选用壁厚，mm;

——设计外压力，MPa;

——选取壁厚下最大允许外压，Mpa;

当时

步骤一：带入选用壁厚t,计算和

步骤二：将值放入线算图，当值大于50时，直接取50，当值小于0.05时，直接取0.05。

步骤三：水平移动到第一步确定的值的线。可采用内插法，不允许外推。再从该交点垂直向下移动求得系数A的值，当A大于0.10时，取0.10.

步骤四：用第三步中已求得的A值，放到材料线算图中，铅直移动到与设计温度的材料/温度线相交。

在A值落到材料温度线端的右侧时，建设以材料温度线上的端点的水平投影为交点。如采用用表列值，应当自用最后最大的表列值，当A值落到材料温度线左侧时，见步骤七。

步骤五：从步骤四得到的交点，水平移到右边读出系数B值。

步骤六：用此B值，按照小面公司计算最大许用工作外压

步骤七：如果A值落到材料温度左侧时，采用以下公式

步骤八：

根据《ASME 第八卷第一分册》UG‑28 (f) 条款规定，若管道能够承受 103 千帕（15 磅 / 平方英寸）的净外压，则其壁厚按全真空工况设计。此时如果大于0.103Mpa那么该管道真空计算合格，如果小于，那么不合格。

常规埋地段：最大许用外压≥1.2×103kPa=124kPa（至少比 103kPa 大 21kPa）；

定向钻 / 顶管 / 水域穿越等敏感段：最大许用外压≥1.5×103kPa=155kPa（至少比 103kPa 大 52kPa），部分业主专项要求≥200kPa。

公式推导过程

径厚比：

——管道外径，;

——有效壁厚，mm;

长/短圆桶临界长径比：

刚性圆桶临界长径比：：

A<0.0002,一律取0.0002

通用说明

(a)  为管道材料的规定最小屈服强度，单位为磅/平方英寸（psi）或兆帕（MPa）。 (b)  为许用压力因子（参见表 403.2.1-1）。 (c) 确定许用深度时，已考虑并允许因规范规定的壁厚公差和设计因素导致的缺陷最大允许范围，且该范围已获规范批准。 (d) 表中受约束管道的  是根据第 402.6.2 节计算的不受约束管道最大许用值；受约束管道的  最大值不得超过按第 402.6.1 节计算的不受约束管道许用值。 (e) 关于旧管道的许用应力，参见第 403.10 节。

注释

(1) 对于受约束或不受约束管线中由支架支撑的管段，梁弯曲应力应纳入纵向应力计算。 (2) 有效应力是由温度变化引起的应力，与在铁路/公路下铺设的管道因内压和外荷载产生的周向、纵向及径向应力之和。 (3) 参见第 403.3.2 节。

Hoop Stress 环向应力

内压引起的环向应力是管道中最关键的应力，根据ASME B31.4 402.3钢管内压设计壁厚为：

观点2

直径/壁厚比（D/t）:是管道设计的核心参数之一，反映管道的 “刚性与抗变形能力”—— 比值越小（壁厚相对越厚、直径相对越小），管道抗压扁、抗屈曲能力越强；比值越大（壁厚薄、直径大），越易因外力（如施工挤压、土壤载荷）或内部压力波动产生变形。D/t 比大于 96 的管道，在施工期间可能需采取额外防护措施。对于高频直缝焊（HFW）管道，其 D/t 比限制为不超过 65，且最大壁厚为 25 毫米。
高频电阻焊（HFW）钢管的径厚比验收准则（X52 及以下钢级最大值为 75；X52 以上钢级最大值为 65）非高频电阻焊（HFW）类钢管的径厚比验收准则：最大值为 96

=IF($E25<=170,K25<>"SMLS",IF(AND($E25>170,$E25<273),NOT(OR(K25="SMLS",K25="HFW")),IF(AND($E25>=273,$E25<508),NOT(OR(K25="SAWH",K25="HFW")),IF($E25>=508,NOT(OR(K25="SAWH",K25="SAWL")),FALSE))))

🤗Notes

ASME31.4要求计系数 F 的值不得大于 0.72。在确定设计系数时，已充分考虑本规范认可的技术规格书中规定的厚度负偏差及最大允许缺陷深度，并为其预留了余量。若根据使用工况或安装位置有要求，使用者可选择采用小于 0.72 的设计系数 F。

该方程可能不适用于管道小于20的情况。

📎 附件

ASME31.4 Table 403.2.1-1

设计系数 DESIGN FACTORS FOR ONSHORE STEEL PIPELINES

管道规定的最低屈服强度 As per Table D-1 of ASME B31.8

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