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适用于大型天然气分配系统中的高压天然气系统的规范如下:a) CFR-2011 Title 49卷3 Part 192天然气和其他天然气管道运输:联邦最低安全标准;b) ASME B31.8气体输配管道系统。
虽然这些规范可能并不特别适用于校园配电系统,但它们提供了许多关于管道材料选择和调节器选择的规则,适用于这些小型系统的“最佳实践设计”。不幸的是,ANSI Z223.1/NFPA 54国家燃气规范和国际燃气规范没有涉及管道材料和管壁厚度的选择。
业主代表需要与天然气供应商密切合作,并在任何安装中遵循他们的规则、条例和建议,因为供应商将最熟悉适用于该项目的当地规则。这些将优先于上述代码。
ASME B31.8涵盖了天然气输送管道设施的设计、制造、安装、检验和试验。本守则亦涵盖这些设施的操作和维修的安全方面。强制性附录Q包括范围图。熟悉ASME管道规范的人都知道,这些规范提供了确定各种管道材料的强度和耐压能力以及安装要求的方法。本文件无意将这些代码缩减为两三个段落。
为了本文的目的,讨论将仅限于安装在位置等级3和4(郊区和城市环境)、低压配电系统和服务管线(传输系统的下游)以及NPS 12 (dn300)及以下管道中的管道。
管道材料
在2019年9月的管道工程师文章“现场分配的天然气管道系统-管道材料和安装要求”中,讨论集中在地上安装使用碳钢管道和地下安装使用聚乙烯(PE)管道。从强度的角度来看,低压(小于100 psig / 689 kPa)钢管具有显著的过大强度能力。PE管道需要更仔细地检查管道强度,因为PE不像钢那样刚性或强度大;此外,地下管道在土压力下有被压碎的可能,而地上管道则没有。
工程控制。管道压力
塑料管道协会(PPI) PE管道手册提供了广泛的PE管道材料的长期强度以及在天然气系统PE管道系统设计中应使用的所需属性。
如上所述,聚乙烯管道的强度和刚性不像金属管道那样坚固。显而易见的工程解决方案是在管道系统中加入足够的材料/壁厚,以提供应用所需的压力承受能力。
在美国联邦监管的应用中,气体分配和输送管道的压力等级由CFR Title 49 Part 192确定。CFR 192.121要求PE管的最大额定压力(PR)应根据其推荐的静水设计应力(HDS)来确定,HDS等于材料的静水设计基础(HDB)乘以0.32的设计系数(DF)。(在撰写本文时,已经有讨论将DF增加到0.40。在加拿大,配气管道按照CSA Z662-07进行监管。CSA允许将0.40的设计系数应用于HDB,以获得配气管道的HDS。
组屋组屋是通过一系列的研究和时间相关的推断来确定的。这些组屋的发展概述在塑料管道协会的PE管手册。对于塑料材料,它们在一定温度下的长期工作强度是根据持续应力与破裂时间(即应力-破裂)评估的结果来确定的。确定PE管道材料长期静水强度(LTHS)值的标准依据是在73°F(23°C)的基础温度下在水或空气中进行压力测试的结果。然而,许多商业等级的PE材料也有在高温下测定的LTHS,通常为140°F(60°C)。
PE管材的LTHS是基于其100,000小时(11.4年)的值,然而,这并不能定义其设计寿命。较新的高性能PE管材,例如PE4710材料,在50年的截距前不会出现下滑。关于持续温度对聚乙烯LTHS的影响,已经进行了许多评估。虽然测试结果表明,材料可能会受到不同程度的影响,但它们也表明,在基准温度73°F(23°C)上下约30°F(17°C)的范围内,效果非常相似,因此可以用一组共同的温度补偿乘数来表示。
这相当于说,对于符合ASTM D2513要求的HDPE管,HDS在73°F(23°C)时为500 psi (3,450 kPa),对于符合ASTM D2513要求的MDPE管,HDS在73°F(23°C)时为400 psi (2,670 kPa)。本规范还规定了额外的限制,例如PE管可以操作的最大压力(在编写本文时,安装在3级和4级位置以及配电系统中的管道为125 psig (860 kPa))和可接受的工作温度范围。联邦法规参考PPI TR-4用于各种塑料管道材料在各种温度下的HDS。PPI TR-3提供了在测试温度限制之间插入信息的信息。
CFR 192天然气管道保压能力设计
在CFR 192中,第192.121段涵盖了塑料管的设计。第192.123段规定了塑料管的设计限制。
根据§192.123的限制,塑料管的设计压力由以下公式确定:联邦法典第192条第192.121段
P = 2 * S * t * DF / (D - t)
P = 2 * s * df / (SDR - 1)
地点:
P =设计压力,压力表,psig (kPa)。
S =对于热塑性塑料(PE)管,HDB根据所列规格确定,温度为73°F(23°C), 100°F(38°C), 120°F(49°C)或140°F(60°C)。如果没有在指定温度下建立的组板,则可以使用更高温度的组板,通过使用PPI TR-3 / 2008, HDB/PDB/SDB/MRS政策(参考文献纳入,见§192.7)中D.2部分的程序,通过算术插值来确定指定温度下的设计压力额定值。
t =指定壁厚,英寸(mm)。
D =指定外径,英寸(mm)。
特别提款权=标准尺寸比,规定的平均外径与规定的最小壁厚之比,对应于从美国国家标准协会优选的编号系列10衍生出来的通用编号系统的值。
DF =0.32(根据上面的讨论)
塑料管道CFR设计限制
用于以下场合的塑料管的设计压力不得超过125 psig (862 kPa)的表压:(1)(低压)配电系统;(2)第3类和第4类地点。当管径为公称管径NPS-12 (dn300)以下时;材料是ASTM D2513中规定的PE 2708或PE 4710;根据§192.121定义的设计方程确定设计压力。
塑料管不能用于(地面或)管道的工作温度将:(1)低于-20°F(-29°C),或-40°F(-40°C),如果所有管道和管道部件的工作温度将低于-20°F(-29°C),则制造商的额定温度与该工作温度一致;或(2)高于根据§192.121确定设计公式中使用的HDB的温度。
PE材料名称
PE管道标准根据标准指定规范定义了可接受的材料。这种设计是为了快速识别管道材料的主要结构和设计特性。在本节处理这个主题时,首先描述代码名称和这些主要属性之间的联系是合适的。为此目的,并作为一个例子,下面将解释一个名称PE4710的重要性。
字母“PE”表示它是聚乙烯管道材料。第一个数字,在这个例子中是数字“4”,根据ASTM D3350,聚乙烯塑料管和配件材料的标准规范(范围:0到7),确定PE树脂的密度分类。第二个数字,在这个例子中是数字“7”,确定材料的标准分类为抗慢裂纹增长-也,根据ASTM D3350(范围:0 ~ 8)——当经受持续的局部应力强化时,它抵抗缓慢生长裂纹的萌生和扩展的能力。在本例中,第三位和第四位数字组合为“10”,表示材料在73°F(23°C)下的推荐静水设计应力(HDS),单位为100 psi。在本例中,数字“10”表示HDS为1,000 psi。不幸的是,HDS是一个水的名称,HDB和HDS与天然气服务没有特别的关系。
PE管的表观保压能力
以下是PE材料的典型设计应力和使用温度的示例。在考虑指定PE材料时,工程师应咨询未来PE管道材料制造商和PPI TR-4,以确定将根据系统设计压力使用的材料规格。以下是一家PE管材制造商提供的数据。
将这些流体静力设计基与SDR进行转换,使用CFR 192第192.121段中的公式,可以明显看出下列设计压力等级
埋地PE管道设计
PE管道系统的PPI设计,第6章第3节介绍了如何计算由于土壤重量和表面载荷作用在PE管上的土压力,如何根据管道和土壤的性质确定产生的挠度,以及如何计算PE管的壁压(破碎)和环屈曲的允许(安全)土压力。使用的计算基本遵循塑料管安装的爱荷华公式。这里所关注的是,由于土壤压力或施加的表面载荷,管道可能会意外破碎;特别是当管道里没有压力的时候。对于土质较差的土质,采用改良的回填材料可以提高管沟区域土质的稳定性。
在确定PE管材的适用性时,并不总是需要详细的计算。在AWWA M-55《PE管-设计与安装》中关于管道SDR、安装和埋深的设计窗口范围内的压力管,应满足PE管规定的挠度限值,抗屈曲安全系数至少为2.0,且不超过PE的允许材料压应力。因此,设计人员不需要根据M-55设计窗口对管道的尺寸和安装进行大量计算。
AWWA M-55设计窗口规格如下:
a)由应力额定PE材料制成的管道。
b)基本上没有施加在管道上的静地表载荷,地表以上没有地下水,并提供了防止浅覆盖管道浮选的规定。
c)埋件材料粒度较粗,压实密度至少达到85%标准普罗克特密度,E′至少为1000 psi (6.9 MPa)。原生土壤必须稳定;换句话说,原生土的E′必须至少为1000 psi (6.9 MPa)。
d)土的单位重量不超过120 pcf (18.87 kN/m3)。
e)管道按照制造商关于控制剪切和弯曲载荷及最小弯曲半径的建议安装,并按照ASTM D2774压力管道安装。
AWWA M-55设计窗口最大和最小覆盖深度无需计算
根据CFR 192,天然气管道的最小埋深为管道顶部36英寸(915毫米),除非它埋在岩石中,否则24英寸(610毫米)是可以接受的。CFR 192进一步要求,在深耕或其他活动可能威胁到管道的地区,管道的顶部必须安装在预计最深的土壤渗透下至少一英尺的地方。
IFGC和NFPA 54的最小埋深为12“至18”(305至457毫米)。ASME B31.8要求服务管线安装在一个深度,将保护他们免受过度的外部负载和当地活动,如园艺。私人物业须提供最少12 "(300毫米)的盖层,而街道及道路则须提供最少18 "(460毫米)的盖层。AGA建议管道的最小深度为24英寸(610毫米)。
如果埋地安装在AWWA M-55设计窗口之外,PE管道系统的PPI设计,第6章,第3节提供了验证管道系统抗破碎能力的详细计算。请记住,AWWA M-55设计窗口中概述的大多数限制都是推荐的塑料和PE管道安装技术。
地下PE管道安装
地下、PE、天然气管道应按照ASTM D 2774《热塑性压力管道地下安装标准规程》进行安装。ASTM D 2774涵盖了安装加压塑料地下公用管道系统的挖沟、垫层、保护和回填方面。ASTM D 2774由ASTM F1688《埋地塑料管施工程序标准指南》补充;本指南包含适用于塑料管的一般施工信息,并补充了包括PE管在内的各类管材的安装标准。柔性管道,如热塑性塑料和玻璃纤维,通常依靠管道周围土壤的刚度来支撑。合同文件应描述对适当土壤支撑的要求。
一旦管道安装完毕,如果管道埋深小于36英寸(914毫米),那么在预计主要卡车载荷穿过管道路径时,必须用防护屏障覆盖沟槽来保护管道。
热胀冷缩
埋管通常受到土壤载荷的良好约束,横向移动很小。然而,受约束的纵向管端运动和由此产生的载荷应该得到解决。
转换到使用机械接头的其他管道材料将需要计算由于温度变化而产生的反应。通常,熔断连接很容易承受这些力;然而,终端连接(无阳极立管)将需要受到限制。
锚固块的尺寸将根据土壤条件和推力载荷的不同而变化,计算公式如下:
σ= e *α*∆T
F =σ* π / 4 * (Do^2 - Di^2)
地点:
F =膨胀/收缩产生的力,磅(牛顿)
σ =材料膨胀/收缩在管道中产生的应力,psi (N/mm)2)
α=管道材料热膨胀系数,单位:in/in/°F,单位:mm/mm/°C
E =管道材料的表观弹性模量,psi (N/mm)2)
∆T =管材温度变化,°F(℃)
Do=管材外径,英寸(mm)
Di =管材内径,英寸(mm)
一旦根据预期的土壤温度确定了力,就需要设计锚块。