陈华新
乌鲁木齐金源燃气设计研究院有限公司 新疆乌鲁木齐 830000
摘要：全文对城市天然气管道中非直线段的施工方法“管道弹性敷设方式、热煨弯管、冷弯弯管”的特点进行了阐述，同时阐述了城市天然气管道工程中弯管和弯头在不同压力下的选用原则。
关键词：弹性敷设；热煨弯管；冷弯弯管；弯头。
引言：近年来随着城市的不断扩张、天然气用气量的不断增加，特别是一些北方城市实施了蓝天工程“煤改气”将城市原有供热系统进行了一次彻底的颠覆。而城市原有供气格局将面临改造，为了满足城市扩张的配套需求同时满足城市居民对天然气的需求，提高城市天然气输配管网的输送能力，势在必行。随着引入高压力级别的城市管网、管道系统，城市加快了天然气管道尤其是高压力大管径天然气管道的建设。GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》将燃气输配系统的压力级制分为7级，对于设计压力大于1.6MPa的天然气管道工程设计，引入了地区等级概念并规定了相应的强度设计系数，同时规定了管道附件的设计和选用要求。用来改变管道走向的弯头、弯管作为重要的管道附件，其形式、材料、强度、加工方式以及敷设方式对管道工程的设计和施工有重要影响。本人根据GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》的要求和实际工程设计经验，对管道工程中弯头、弯管的选用进行阐述分析。
2 输送压力大于1.6MPa的天然气管道
1） 弹性敷设
城市天然气管道敷设时是随着道路敷设的，然而道路并非一直是直线的，随着地形的变化，天然气管道有时需要改变走向，因此敷设管道时要相应地做竖向弯曲和平面弯曲，管道弹性敷设是改变走向的方法之一。按照GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》要求，弹性敷设管道的曲率半径应满足管道强度要求，且不得小于钢管外直径的1000倍。竖直面上弹性敷设管道的曲率半径应大于管道在自重作用下产生的挠度曲线的曲率半径，其曲率半径应满足式(1)。
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式中ρ——管道弹性弯曲的曲率半径，m
α——管道的转角，(°)
D——管道的外径，cm
管道按水平方向的弹性弯曲敷设时，管道组焊时依据设计要求形成的管道走向；管道按竖直方向的弹性弯曲敷设时，管道组焊时依据设计要求的管沟竖直曲面形成管道走向。对于城市天然气管道工程，从结构设计、施工和生产管理方面来看，弹性敷设比较经济合理，但由于曲率半径要求较大，弹性敷设的采用受制于地形，比如一般道路的曲率半径都比较大，随道路敷设的天然气管道采用弹性敷设方式能避免采用很多弯头或弯管，施工方便且节约费用。在远离主城区或规划城区的平原敷设燃气管道，采用弹性敷设一般都具备条件，但在障碍物较多的城区内或地形起伏较大的丘陵地带就较难实现，管道不能随地形做等埋深的垂直放线弯曲，造成管道悬空或局部埋深不足。为了解决这些问题必须增加土方量，这些地带可不采用弹性敷设方式，而选用热煨弯管或冷弯弯管来改变管道方向。
2） 热煨弯管
对于设计压力大于1.6MPa的天然气管道，目前热煨弯管使用较多。热煨弯管用碳钢及低合金钢无缝钢管或焊接钢管通过加热弯制工艺制作。相对于冷弯弯管，热煨弯管具有生产效率高、弯曲角度不受限制、成型质量好等优点。由于管口圆度好，必要的热处理消除了残余应力，而且壁厚减薄率可以控制到低于10%，因此保证热煨弯管的质量成为业主等关注的重点。壁厚减薄率[1]C按照式(2)进行确定。
式中C——壁厚减薄率
δ1——母管实际壁厚的最小值，mm
δ2——弯管外弧侧最薄处壁厚，mm
对于设计压力大于1.6MPa的天然气管道，由于要考虑地区等级对管道壁厚的影响，有时还要考虑清管通球的需要，弯曲角度不受常规角度限制，选用GB/T 9711-2017《石油天然气工业 管线输送系统用钢管》管材并根据线路所经过路由情况进行确定。热煨弯管也有一些缺点：a.制作过程中，会出现外弧侧管壁减薄的情况，因此需要增加母管的壁厚。b.部分横截面是椭圆形，弯曲段横截面圆度控制不好会影响通球。c.弯曲段和直管段之间存在加热温度过渡区。d.热煨弯管需要提前订货，因为加工工艺决定其只能在工厂预制，若订货时提供的弯管加工清单有误或现场情况与图纸设计情况不符，则必须要按照实际需要的角度再次到工厂预制，会耽误施工工期。因此选择热煨弯管必须考虑全面且保证弯管角度准确。
3）冷弯弯管
冷弯弯管是由弯管加工机现场弯制而成。要保证弯管加工机的最小弯曲半径大于18倍的管道外径，根据应变设计理论，弯曲的半径由管径决定。应变设计理论的基本原则是当管道设计应变大于容许应变时，则管道失效；当管道设计应变小于容许应变时，则管道安全。目前大管径高压力天然气管道一般都采用GB/T 9711-2017《石油天然气工业 管线输送系统用钢管》管材，其特点是强度高，但是随着强度的增加，管材的延展性能下降。冷弯弯管应变能力不仅与管径相关，而且与管道的变形能力等参数有关。设管道外径为D，单位为m。对于采用x系列的管线钢，研究表明，API 5L X42钢级以下的管道可以采用3°/D1(最小曲率半径相当于20D1)准则；X42～X65钢级的管道可以采用1.5°/D1(最小曲率半径相当于40D1)准则；X70钢级或强度更大的管道可以采用1°/D1(最小曲率半径为60D1)准则。根据不同材质、不同规格的管线钢采用的准则能确定出冷弯弯管的最大弯随角度和最小曲率半径。
假设每根钢管长12m，由于冷弯弯管两端要各留2m长的直管段，故弯曲部分的长度为8m。对于X42钢级以下的管道，冷弯弯管的最大弯曲角度为8×(3°/D1)；对于X42～X65钢级的管道，冷弯弯管的最大弯曲角度为8×(1.5°/D1)；X70管道或强度更大的管道，冷弯弯管的最大弯曲角度为8×(1°/D1)。
3 输送压力小于等于1.6MPa的管道工程
对于设计压力小于等于1.6 MPa的城镇天然气管道工程，按照GB 50028—2006的要求，计算管道壁厚时不需要考虑地区等级对强度设计系数的影响，可选用按GB/T 12459—2017《钢制对焊管件 类型与参数》，曲率半径一般采用1.5倍外径。对于城市运营单位要求需要清管通球的管道，一般采用曲率半径大于或等于5倍外径的弯管。这些弯头和热煨弯管是成品，故采购方便且成本较低，但需要采购方根据需求指定管件的壁厚。
4 结论
对于压力大于1.6MPa的城市天然气管道，在采用弹性敷设方式时，由于地形条件的制约，弹性敷设水平面和竖直面上的曲率半径受到限制。为了适应地形的变化和避开障碍物等，特设置弯管。其中，冷弯弯管具有灵活、方便、经济等特点，但冷弯弯管的曲率半径、弯曲角度有限制，且要求施工单位必须具备弯管加工机。热煨弯管的壁厚和弯曲角度不受限制，生产效率高，适用于集中采购订货，但如果施工时弯管角度发生变化，需要重新到工厂预制，会耽误工期并产生经济损失。
结语：综上所述，对于压力大于1.6MPa的城市天然气管道，如能满足条件，应优先采用弹性敷设，其次考虑冷弯弯管，最后选择热煨弯管。对于压力小于等于1.6MPa的城市天然气管道，根据运营单位的运行要求，若需要通球需采用热煨弯管，反之可选用标准弯头。
参考文献：
[1]城镇燃气设计规范．GB 50028-2006 北京 中国建筑工业出版社2006