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ASTM長(zhǎng)輸油氣管系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全規(guī)范

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1
ASTM 長(zhǎng)輸油氣管系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全規(guī)范
用于高壓輸氣鋼管的特殊標(biāo)志載于最近一版的ASME 標(biāo)準(zhǔn)“高壓輸送管線”
ASME B31.8 中，輸氣系統(tǒng)的特殊配件，以及典型的細(xì)節(jié)與設(shè)計(jì)方面的建議均列
入本章。
基本流量方程式
純理論氣體流動(dòng)公式：多年來(lái)管道工業(yè)在不同程度上成功地應(yīng)用了一些在水
平輸送管道中的計(jì)算等溫氣流的公式，最新的純理論公式為：
L
D
P P Bf (ZTGQ ) 5
2
2
2
2
1 ? =
其中：B=尺寸常數(shù)=76.86；
D=內(nèi)徑，吋（in）；
f=摩擦系數(shù)（O 維，無(wú)量綱）；
L=管線長(zhǎng)度，英里（Mile）;
G=煤氣比重（空氣比重）；
P1=線上初始?jí)簭?qiáng)，磅/吋2（psia）；
P2=終點(diǎn)壓力，磅/吋2（psia）；
Q=流率，千呎3/小時(shí)（MCF/HR）；
T=測(cè)得的煤氣絕對(duì)溫度，0R（0F+460）；
Z=壓縮系數(shù)，在平均流量下的（O 維，無(wú)量綱）。
對(duì)于管線內(nèi)的流體，考慮到不同的高程差，應(yīng)當(dāng)采用經(jīng)J.W.Ferguson 的高度
修正法的理論氣體流量公式來(lái)計(jì)算不同高度時(shí)壓力分布的影響：
e
s L
D
P e P 76.68 f (ZTGQ ) 5
2
2
2
2
1 ? =
其中：P1=上游煤氣壓力，磅/吋2（psia）；
P2=下游煤氣壓力，磅/吋2（psia）；
e=自然對(duì)數(shù)的底，2.71828；
es=高程修正因子；
2
f=摩擦系數(shù)（無(wú)量綱）；
G=煤氣比重（空氣比重=1）；
T=煤氣流動(dòng)溫度，0R（0F+460）；
Q=煤氣流率，千呎3/小時(shí)（MCF/HR）；
Z=壓縮系數(shù);
L=本管線的長(zhǎng)度，英里（Mile）;
H=本管線的高程差，呎（feet）（上坡為正，下坡為負(fù)）；
s=GH/（26.647TZ）；
Le=有效長(zhǎng)度，（es-1）L/s;
D=管線內(nèi)徑，吋（in）。
管線的設(shè)計(jì)公式
煤氣管道系統(tǒng)所需的設(shè)計(jì)壓力或者是對(duì)于給定的設(shè)計(jì)壓力下所需的鋼管公
稱壁厚可以用下述公式計(jì)算：
D
P = 2StFET
其中：P=容許的設(shè)計(jì)壓力，piag（磅/吋2 表壓）；
S=屈服強(qiáng)度，piag（磅/吋2 表壓）；
D=管線公稱外徑，in（吋）；
t=鋼管公稱厚度，in（吋）；
F=設(shè)計(jì)因數(shù)，其數(shù)值參看表1 地區(qū)分類表（除表2 表所規(guī)定的之外）；
E=管道縱向連接因數(shù)，取決于鋼管生產(chǎn)方式（參看表3）；
（螺旋焊，UOE，JCOE……）
T=溫度下降因數(shù)（參看表4）。
設(shè)計(jì)時(shí)的地區(qū)分類：
輸氣管道破損的可能隨建筑物的集中程度而上升。有一種方法是加上保護(hù)管
線安全的系數(shù)，按照公眾活動(dòng)強(qiáng)度來(lái)降低管子的允許強(qiáng)度水平。美國(guó)機(jī)械工程師
協(xié)會(huì)ASME B31.8 將公眾活動(dòng)強(qiáng)度量化了：首先將埋設(shè)地區(qū)分類，再將適當(dāng)?shù)?
設(shè)計(jì)因數(shù)引進(jìn)管道設(shè)計(jì)中。
3
ASME B31.8 將地區(qū)分類如下：
第1 類地區(qū)：一英里（哩）管線兩側(cè)有10 座或少于10 座的住人建筑物，該
類地區(qū)代表荒地、沙漠、山脈、牧場(chǎng)、農(nóng)場(chǎng)和人煙稀少的地區(qū)。
第2 類地區(qū)：一英里（哩）管線兩側(cè)有10 座以上到46 座以下的住人建筑物，
該類地區(qū)的人口密度介乎第1 類地區(qū)和第3 類地區(qū)之間，如市、鎮(zhèn)邊緣，工廠區(qū)、
大牧場(chǎng)或鄉(xiāng)間別墅等等。
第3 類地區(qū)：一英里（哩）管線兩側(cè)有46 座以上的住人建筑物（有別于第
4 類地區(qū)，該3 類地區(qū)包括大城市郊區(qū)的住宅開發(fā)區(qū)、購(gòu)物中心、住宅區(qū)，工業(yè)
區(qū)和其它人口不及第4 類地區(qū)稠密的地區(qū)。
第4 類地區(qū)：包括高層建筑物集中區(qū)域，交通繁忙，人口稠密和擁有多種地
下設(shè)施的地區(qū)，多層建筑是指包括地面上在4 層以上的建筑（包括底層和一層在
內(nèi)）。
表1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)因素F2
地區(qū)分類 設(shè)計(jì)因素F
1 類地區(qū)，1 分區(qū) 0.80
1 類地區(qū)，2 分區(qū) 0.72
2 類地區(qū) 0.60
3 類地區(qū) 0.50
4 類地區(qū) 0.40
4
表2 管線建設(shè)設(shè)計(jì)因素[2]
地 區(qū) 分 類
1 類地區(qū)
設(shè) 施 名 稱
1 分區(qū)2 分區(qū)
2 類地區(qū)3 類地區(qū) 4 類地區(qū)
1．管線，主輸線及用戶支線 0.80 0.72 0.60 0.50 0.40
2．穿過(guò)道路、鐵路的不帶套管的管線
①私人道路 0.80 0.72 0.60 0.50 0.40
②未改善的公路 0.60 0.60 0.60 0.50 0.40
③帶硬路面的公路，高速路或街道及鐵路0.60 0.60 0.50 0.50 0.40
3．帶有套管的，穿過(guò)道路和鐵路的管線
①私人道路 0.80 0.72 0.60 0.50 0.40
②未改善的公路 0.80 0.72 0.60 0.50 0.40
③帶硬路面的公路，高速路或街道及鐵路0.60 0.60 0.60 0.50 0.40
4．預(yù)制的管線組合 0.60 0.60 0.60 0.50 0.40
5．橋上的管線 0.60 0.60 0.60 0.50 0.40
6．加壓站內(nèi)的管線 0.50 0.50 0.50 0.50 0.40
7．第1、2 類地區(qū)中人口集中的地區(qū) 0.50 0.50 0.50 0.50 0.40
穿過(guò)鐵路、車道和人行道的管線和干線，或者鋪在橋上的管線、干線的設(shè)計(jì)
因素必須按照前述的地區(qū)分類（橋梁所在的地區(qū)）來(lái)選定，除了1 類地區(qū)外，必
須采用的設(shè)計(jì)因素為0.6。
流體溫度（校正公式）
最初建立的沿管線上任一點(diǎn)流體溫度的較準(zhǔn)確的校正公式是由Charles E.
Schorre 于1954 年提出的，然而，按照Schorre 的公式，流動(dòng)的氣體溫度沿著管
線的走向逐漸降低，總是達(dá)不到預(yù)期的平衡值，因?yàn)镴oule-Thompson 的冷卻效
應(yīng)受到管線周圍的溫?zé)嵬寥捞峁┑臒崃康挠绊憽?
1979 年，D.M.Coulter 和M.F.Bardon 導(dǎo)出了下列公式，給出了流動(dòng)氣體的溫
度按對(duì)數(shù)級(jí)下降的漸近值，接近低于地面溫度的數(shù)值。
??
?
??
+ ? + ?
?
?
??
?
??
?
??
= ? ? + ?
dX
dP
a
e T
dX
dP
a
T T T g
aX
g
μ μ
2 1
式中：μ=焦耳-湯普遜系數(shù)，F(xiàn)0/psi（0F/磅/吋2）；
5
X=距離，ft（呎）；
P=壓力，psi（磅/吋2）；
T1=氣體初始溫度，0F；
T=在X2 的氣體溫度，0F；
Tg=平均地面溫度，0F。；
a=2πRU/(qCp)，π=3.1416；
R=管線半徑，ft（呎）；
U=熱傳導(dǎo)系數(shù)，B.T.U./(h·0F·ft2)，（英熱單位/（ h·0F·呎2)）；
q=氣體流量，MCF/HR，（百萬(wàn)立方呎/小時(shí)）；
Cp=常壓下的氣體比例，B.T.U./( 0F·MCF)，（英熱單位/(0F·百萬(wàn)立
方呎)）。
表3 縱向聯(lián)接因素E[2]
標(biāo)準(zhǔn)號(hào) 管線等級(jí) 因素E
無(wú)縫管 1.00
電阻焊管 1.00
ASTM A53
爐內(nèi)對(duì)焊管 -連續(xù)焊管 0.60
ASTM A106 無(wú)縫管 1.00
ASTM A134 電弧熔融焊管 0.80
ASTM A135 電阻焊管 1.00
ASTM A139 電熔焊管 0.80
ASTM A211 螺旋焊管 0.80
ASTM A333 無(wú)縫管 1.00
電阻焊管 1.00
ASTM A381 雙面埋弧焊管 1.00
ASTM A671 電熔焊管 13，23，33，43，53 級(jí) 0.80
12，22，32，42，52 級(jí)1.00
ASTM A672 電熔焊管 13，23，33，43，53 級(jí) 0.80
12，22，32，42，52 級(jí)1.00
API 5L 無(wú)縫管 1.00
ASTM A 電阻焊管 1.00
ASTM A 閃光電焊管 1.00
ASTM A 爐內(nèi)對(duì)接焊管 0.60
ASTM A 埋弧焊管 1.00
注：ASME B31.8 給出了焊管等級(jí)的定義。
6
表4 鋼管溫度下降因素T[2]
溫 度 0F 溫度下降因素T
250O 及250O 以下 1.000
300 0.967
350 0.933
400 0.900
450 0.867
注：欲求具體溫度下的T，請(qǐng)用插入法計(jì)算。
譯者按：石油部原顧問，西氣東輸項(xiàng)目經(jīng)理部高級(jí)技術(shù)顧問、中科院金屬研
究所研究員王儀康先生介紹：石油部西氣東輸工程部確定的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類地
區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)是按人口密度計(jì)算，與西方標(biāo)準(zhǔn)不同，列表如下：
Ⅰ類地區(qū) 每平方公里居住人口5 人以下 建議采用螺旋焊管
Ⅱ類地區(qū) 每平方公里居住人口100 人以下 建議采用螺旋焊管
Ⅲ類地區(qū) 中小城鎮(zhèn) 建議采用UOE 直縫焊管
Ⅳ類地區(qū) 人口密度的大城市（如上海） 建議采用UOE 直縫焊管
曹蔭芝譯 姚衛(wèi)薰校

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