聚乙烯燃气管道最大工作压力折减系数

摘 要

基于燃气用 PE 管道设计中最大工作压力的计算,讨论管道周围土壤温度对管道最大工作压力的折减。考虑管道介质危险性对管道系统的影响,在温度折减系数的基础上提出介质危险性折减系数的建议。采用美国道化学公司火灾、爆炸指数评价法中的火灾、爆炸指数作为管道危险性的量化指标,得出介质危险性折减系数公式,对燃气用 PE 管道最大工作压力的计算做进一步修正,结合案例给出具体的计算方法及步骤。

 摘 要:基于燃气用PE管道设计中最大工作压力的计算,讨论管道周围土壤温度对管道最大工作压力的折减。考虑管道介质危险性对管道系统的影响,在温度折减系数的基础上提出介质危险性折减系数的建议。采用美国道化学公司火灾、爆炸指数评价法中的火灾、爆炸指数作为管道危险性的量化指标,得出介质危险性折减系数公式,对燃气用PE管道最大工作压力的计算做进一步修正,结合案例给出具体的计算方法及步骤。

关键词:聚乙烯管道;  最大作压力;  折减系数;  道化学

Reduction Factor of Maximum Working Pressure of Polyethylene Gas Pipeline

AbstractBased on the maximum working pressure calculation of PE gas pipelinethe influence of soil temperature around the pipeline on the maximum working pressure is discussedConsidering the effect of the pipeline medium risk on pipeline systemthe medinm risk reduction factor is suggested based on temperature reduction factorFire and explosion index in American Dow g fire and explosion index method is used as the quantitative index of pipeline riskThe medium risk reduction factor formula is proposedThe maximum working pressure calculation of PE gas pipeline is further correctedand the concrete calculation method and steps are presented combined with the ease

KeywordsPE pipelinemaximum working pressurereduction factorDow chemical

 

1 概述

聚乙烯(PE)管道具有良好的耐腐蚀性、绝缘性、密封性及韧性等优点[1-2]。自20世纪90年代,PE管道开始广泛应用于国内燃气行业,主要为公称直径小于350mm且压力不大于0.4MPa的管道。随着燃气用PE管道近20年的推广使用,已形成大规模的城镇PE燃气管网。一些城镇燃气管网的建设缺乏统筹规划,存在多系统、多级别的管道系统。在燃气事业不断推进、用户不断扩展的过程中面临新旧管道并网的需求,这需要考虑管道系统的整体性能,其中PE管道最大工作压力的确定及新增管道材料等级与规格的选择尤为重要。本文基于燃气用PE管道设计中最大工作压力的计算,讨论管道周围土壤温度对管道最大工作压力的折减;考虑管道介质危险性对管道系统的影响,引入衡量管道危险性的火灾、爆炸指数,通过公式处理得到介质危险性折减系数公式,对燃气用PE管道最大工作压力的计算做进一步修正,并结合案例给出具体的计算方法及步骤。

2 管道最大工作压力的计算

燃气用PE管道最大工作压力的选取在管道设计阶段尤为重要,需综合考虑管道系统的各种因素。根据国家标准GB 1555812003《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统第1部分:管材》(以下简称GB1555812003),最大工作压力的计算见式(1),此公式以20℃50年的管道设计使用寿命为基础确定。

pMOP=2sMRS/(kSDR-1)C      (1)

式中pMOP——最大工作压力,Mpa

sMRS——最小要求强度,Mpa

kSDR——标准尺寸比(管道外径与壁厚之比)

C——总体使用(设计)系数(以下简称总体使用系数)

最大工作压力pMOP(Maximum Operating Pressure)指管道系统中允许连续使用的流体的最大压力。

最小要求强度sMRS(Minimum Required Strength)指聚乙烯材料在20℃50年寿命、预测概率为97.5%条件下的静液压强度(sLCL)值在GBT 321—1980《优先数及优先数系》的优先数R20R20系列中向小取最接近的值。GB184752001《热塑性塑料压力管材和管件用材料分级和命名总体使用(设计)系数》提出燃气用聚乙烯混配料的分级数,即将sMRS乘以10后得到,例如最小要求强度为8.0MPaPE管道属PE80系列。

标准尺寸比kSDR(Standard Dimension Ratio)GB 1555812003、欧洲标准EN 1555—52002《燃气输送用塑料管道系统聚乙烯(PE)  5部分》(以下简称EN 1555—52002)、国际标准ISOTS 108392000燃气输送用聚乙烯管材和管件设计、搬运和安装》(以下简称ISOTS108392000)中推荐使用的有SDRllSDR176两种系列,即标准尺寸比后SDR分别为1117.6

总体使用系数C(Overall Service(design)Coeffieient)是一个大于1的系数,它考虑了未在置信下限sLCL体现出的使用条件和管道系统中组件的性能(如材料特性、管材力学性能等)

GB 155581—2003EN 1555—52002ISOTS 108392000中均提出燃气输送用PE管道的总体使用系数C不应小于2.0,目前各国设计、使用单位根据自身的实际情况确定不小于2.0的总体使用系数。总体使用系数的大小考虑了使用条件和管道其他附件的特性对管道系统的影响,是在置信下限所包含因素之外考虑的管道系统的安全裕度。我国考虑国情及地理条件、施工方式、燃气种类等各种因素,为进一步提高安全性能,CJJ 63—2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》(以下简称CJJ 63—2008)中将天然气PE管道系列的总体使用系数C调整至2.93.2范围。

3 管道工作温度对最大工作压力的影响

燃气用PE管道最大工作压力的计算式(1)是以20℃为参考温度得出的,ISOTS 108392000EN1555—52002考虑工作温度对管道系统的影响,引入温度折减系数计算最大工作压力,见式(2)

pMOP=2sMRS/(kSDR-1)CDr       (2)

式中Dr——温度折减系数

温度折减系数Df是根据1×104h长期静液压试验结果,计算得到的20℃时材料强度与不同温度下材料强度的比值来确定的。ISOTS 108392000EN 1555—52002中给出的不同工作温度下PE管道的温度折减系数见表1。燃气用PE管道允许的最大工作压力随着温度的升高而减小,高温环境给管道的安全性带来较大的不利影响。

聚乙烯燃气管道最大工作压力折减系数

 

GB 1555812003中未提及工作温度对最大工作压力产生折减。CJJ 632008中提出压力折减系数,该压力折减系数是根据ISOTS 108392000对温度折减系数的规定得出。CJJ 632008按中国使用习惯将表1中的温度折减系数换算为倒数,重新定义为压力折减系数,相应的最大工作压力计算式见式(3)。表2CJJ 632008中列出的不同工作温度下PE管道压力折减系数。

pMOP=2sMRSDw/(kSDR-1)C   (3)

式中Dw——压力折减系数

聚乙烯燃气管道最大工作压力折减系数

考虑到可能尚有其他未探讨的因素对PE管道最大工作压力具有折减影响(如本文下面提出的介质危险性折减系数),笔者认为CJJ 632008中将工作温度对管道压力的折减定义为压力折减系数并不严谨,建议CJJ 632008参照ISOTS 108392000EN 1555—52002将压力折减系数调整为温度折减系数,以便与国际标准接轨。

ISOTS 108392000EN 1555—52002提出,当工作温度大于20℃时,最大工作压力应按相应的温度折减系数进行折减。而CJJ 632008按相应的压力折减系数进行折减。CJJ 63—2008的第413条中确定的天然气PE管道四组管道系列的总体使用系数以及在20℃时的最大工作压力见表3,在此基础上,将表1中的温度折减系数代(2),计算出天然气PE管道在不同工作温度下的最大工作压力,见表4

聚乙烯燃气管道最大工作压力折减系数

 

聚乙烯燃气管道最大工作压力折减系数

 

在中国多数的南部地区,从6月至10月份,地下0.8m处的土壤月平均温度在20℃以上,甚至出现30℃以上的高温[3]。因此,在高温地区应考虑工作温度对PE管道最大工作压力的影响。本文建议1年中连续出现4个月地下0.8m处的土壤月平均温度在20℃以上的地区,各管道系列的最大工作压力按表430℃时的数据考虑。

管道埋深较小不仅易受第三方破坏,且管道周围土壤温度受高温环境影响会出现高于30的状况。CJJ 63—2008433条规定,聚乙烯管道最小覆土厚度在各种条件下均不得小于0.5m。土壤温度与气温的相关性随埋设深度的增加而减小,土壤温度在地下0.5m处与地下0.2m(气温与地下0.2m处土壤温度相关系数约0.95)相关系数高达0.98[4]。而根据实际测量,在地下1.0m及以下处的土壤温度趋于恒定[3]。本文建议,在高温地区,在施工条件允许的情况下,燃气用PE管道覆土厚度尽量不小于1.0m

4 管道介质对最大工作压力的影响

4.1 管道介质的危险性

燃气用PE管道的最大工作压力不仅取决于管道材料(最小要求强度sMRS)、规格类型(管道标准尺寸比kSDR)及使用条件(总体使用系数C、工作温度T),在实际使用中,还应考虑管道介质、外界环境等因素对管道系统性能及安全性的影响,从安全角度对燃气用PE管道的最大工作压力做进一步限制。

管道介质的危险性直接影响事故的危害程度,从这方面对燃气用PE管道的最大工作压力计算的修正具有一定必要性。在危险性评价中,美国道化学火灾、爆炸指数评价法(以下简称道化法)是常用的定量分析工艺过程物料火灾爆炸潜在危险的分析方法。它以物质系数(Fm)为基础数值(即表述物质由燃烧或其他化学反应引起的火灾、爆炸中释放能量大小的内在特性),结合一般工艺危险系数(F1)、特殊工艺危险系数(F2),得到火灾、爆炸指数(F),用来估算生产过程中事故可能造成的破坏情况。本文引用道化法中的火灾、爆炸指数来衡量管道介质的危险性程度。

4.2 火灾、爆炸指数计算方法

以天然气、气态液化石油气(LPG)PE管道为例,计算其火灾、爆炸指数。假设案例为两组:①100kmDN 300mm天然气PE管道,工作压力为0.3MPa100kmDN 300mm气态液化石油气PE管道,工作压力为0.07MPa。根据美国道化学公司编制、美国化学工程师协会(The American Institute of Chemical Engineer)1994年出版的《道化学公司火灾爆炸指数评价法(第七版)(Dow’s Fire&Explosion Index Hazard Classification GuideSeventh Edition,以下简称《七版》),计算案例中的火灾、爆炸指数。

天然气的主要组分为甲烷(本文按纯甲烷考虑),液化石油气的主要组分为丙烷(本文按纯丙烷考虑),根据《七版》附录A查得两种介质的物质系数(Fm)均为21

一般工艺危险系数(F1)、特殊工艺危险系数(F2)由基本系数与各相关工艺评价单元危险系数的加和得到。各工艺评价单元危险系数在《七版》规定的危险系数取值范围内,结合实际情况选取恰当的数值。

4.2.1一般工艺危险系数(F1)的确定

一般工艺危险系数(F1)的工艺评价单元包括放热反应、吸热反应、物料处理与输送等6项内容,与本案例相关的工艺评价单元只有物料处理与输送。本案例的一般工艺危险系数的计算如下。

①F1中基本系数为1.0

物料处理与输送用于评价工艺单元在处理、输送和储存物料过程中潜在的火灾危险陛,对于管道上的易燃类物料的处理与输送,其危险系数为0.5

案例中天然气、气态液化石油气PE管道的一般工艺危险系数计算结果见表5,表5中未列出与本案例取值无关的工艺评价单元。

聚乙烯燃气管道最大工作压力折减系数

 

4.2.2特殊工艺危险系数(F2)的确定

特殊工艺危险系数(F2)的工艺评价单元包括毒性物质、压力、易燃及不稳定物质的能量等12项内容,与本案例相关的工艺评价单元有5项,本案例的特殊工艺危险系数计算如下。

基本系数

F2中基本系数为1.0

毒性物质危险系数的确定

七版》中毒性物质危险系数按0.2Nh计算,其中Nh为美国消防协会规定的毒性等级,分为无毒、有轻微毒害、急性危害需医疗监护、可致急性中毒和慢性影响、可造成死亡或严重伤害共5个等级,毒性等级由轻至重的Nh值为04。液化石油气与天然气均属有轻微毒害等级[5-6]Nh=1,则毒性物质危险系数均为0.2

压力危险系数的确定

《道七版》中压力危险系数的计算见式(4)

聚乙烯燃气管道最大工作压力折减系数

 

式中F2,b——压力危险系数

p——管道介质工作压力,Mpa

天然气管道工作压力为0.3MPa,气态LPG管道工作压力为0.07MPa,代(4),计算得到天然气管道和气态LPG管道的压力危险系数分别为0.230.18。也可以根据《道七版》中的压力危险系数图表查得一定的工作压力下所对应的压力危险系数。

易燃及不稳定物质的能量危险系数的确定

易燃及不稳定物质的能量危险系数主要讨论单元中易燃物和不稳定物质的能量与危险性的关系。《道七版》中易燃及不稳定物质的能量危险系数的计算见式(5)

聚乙烯燃气管道最大工作压力折减系数

 

式中F2,c——易燃及不稳定物质的能量危险系数

E——总能量,GJ

本案例中天然气低热值为37.68MJm3,气态LPG低热值为108.86MJm3,计算该条件下的天然气管道总热量为1064GJ,气态LPG管道总热量为1307GJ,通过式(5)计算得到天然气管道、气态LPG管道易燃及不稳定物质的能量危险系数分别为1.491.62。也可以根据《道七版》中的易燃及不稳定物质的能量危险系数图表查得一定的总能量值所对应的易燃及不稳定物质的能量危险系数。

腐蚀与磨蚀危险系数的确定

《道七版》中腐蚀与磨蚀危险系数按年腐蚀速率划分取值区间,PE管道年腐蚀速率在0.1270.254mma范围,腐蚀与磨蚀危险系数取值为0.2[7]

接头和填料的泄漏危险系数的确定

根据《道七版》中关于接头和填料的泄漏危险系数取值的描述(如密封或连接处可能产生轻微泄漏时取0.1,产生正常的一般泄漏时取0.3),本案例中燃气管道在阀门等连接处可能产生轻微泄漏,故接头和填料的泄漏危险系数取值为0.1

本案例中天然气、气态液化石油气PE管道的特殊上艺危险系数计算结果见表6,表6中未列出与本案例取值无关的工艺评价单元。

聚乙烯燃气管道最大工作压力折减系数

 

4.2.3火灾、爆炸指数的确定

火灾、爆炸指数(F)的计算见式(6)

F=FmF1F2      (6)

天然气管道、气态LPG管道介质的物质系数Fm均为21,将表5、表6数值代入式(6),计算得到本案例天然气管道、气态LPG管道的火灾、爆炸指数(F)分别为101.43103.95

4.3 介质危险性折减系数

火灾、爆炸指数作为评价燃气管道危险性的量化指标,本文在温度折减系数概念的基础上,对火灾、爆炸指数通过公式处理引入介质危险性折减系数Dm。《道七版》将火灾、爆炸指数划分为5个危险等级(见表7),火灾、爆炸指数小于97为较轻或最轻的危险等级。笔者认为,在较轻或最轻危险等级下管道系统的危险性较小,在管道最大工作压力计算中建议不作折减。因此,以中等危险等级的下限值97作为介质危险性折减系数的基准数1,介质危险性折减系数的表述见式(7)、式(8)

聚乙烯燃气管道最大工作压力折减系数

 

F97时:

Dm=F/97     (7)

F<97时:

Dm=1        (8)

式中Dm——介质危险性折减系数

在引入介质危险性折减系数Dm后,PE管道最大工作压力计算中的折减系数调整为式(9)

D=DfDm       (9)

式中D——折减系数

由此,PE管道最大工作压力计算式(2)调整为式(10)

pMOP=2sMRS/(kSDR-1)CD        (10)

本文案例中天然气、气态液化石油气PE管道的火灾、爆炸指数分别为101.43103.95,按式(7)计算得到天然气、气态液化石油气PE管道的介质危险性折减系数分别为1.041.07

介质危险折减系数需根据项目的实际情况计算得到,在已知工艺过程、介质总能量等条件的情况下,根据道化法计算出火灾、爆炸指数并代入式(7)、式(8)得到。

4.4 实际应用

城镇燃气用PE管道最大工作压力计算中,对于火灾、爆炸指数大于97的管道系统,最大工作压力的计算建议做进一步折减。如本文案例中天然气PE管道若采用PE100 SDR17.6系列,在未考虑介质危险性对管道最大工作压力的折减时,处于高温地区(管道周围土壤温度在20—30℃范围,温度折减系数取1.1)PE管道最大工作压力为0.36MPa(见表4)。当考虑介质危险性对管道最大工作压力的折减时,本案例中的天然气PE管道火灾、爆炸指数为101.43,其介质危险性折减系数为1.04,则按公式(10)计算得出PE管道的最大工作压力为0.35MPa,从而进一步提高了管道系统的安全性。在管道设计阶段,引入介质危险性折减系数的概念对管道材料等级及规格的选择、管道系统最大工作压力的确定具有实际意义。

5 结语

燃气用PE管道最大工作压力计算中折减系数的理解与运用在管道设计、施工中具有重要意义。本文在工作温度、管道介质两方面对燃气用PE管道最大工作压力计算的影响进行探讨;在温度折减系数的基础上提出介质危险性折减系数的建议,采用美国道化学公司提出的火灾、爆炸指数作为管道危险性的量化指标,通过公式处理得出相对合理的介质危险性折减系数公式,对燃气用PE管最大工作压力计算进一步修正。

在上述燃气用PE管道性能及安全性的影响因素中可能仍有未考虑到的因素会影响最大工作压力的确定,如PE管道耐快速裂纹扩展(RCP)、管道所处位置的口密集度、管道使用时等,如何将其量化为相应的折减系数,由此提出更全面的提高管道安全性的约束条件,有待进一步研究探讨。

 

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