天然气管道介质流速设计的探讨
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摘 要：天然气输气管道设计中，有关管道内介质流速的限定范围，国内标准和国际标准以及国际知名设计公司的规定值都不尽相同。相对于国外标准，国内的流速限定范围较为粗放，未对不同工况下的限定值进行细化和分类。而在实际工程中，为满足不同介质压力和经济性要求，需要细化流速限值，同时还要考虑避免出现噪音和管道内部机械腐蚀，通过计算来判定管道流速值的合理性。
关键词：天然气管道;管道流速;腐蚀;经济性;对标;标准
在国内，根据设计经验通常天然气输配送管线的设计流速一般会限定在10～15m/s，计量调压设备上的流速值会稍高。在国外项目中不同的国家和业主参考标准不一样，如果业主没有指定的流速限值，就需要设计方通过计算给与确定。尤其在天然气减压站内，业主对于管道内的压力降没有限定，通常希望采用高流速、小口径的管道以降低成本，这更需要设计方对流速限值做计算和分析。
1 国内天然气管道设计标准中的有关规定
在GB 50251-2015 《输气管道工程设计规范》中没有涉及到天然气管道流速限定范围。
在GB 50028-2006 《城市燃气设计规范》中第7.2.22条规定，压缩机前总管的天然气流速不宜大于15m/s。
2 国际上天然气管道设计标准中的有关的规定
2.1 ASME B31.8 -2016《输气和配气管道系统》
根据ASME B31.8 第841.1.9条的规定，在调压和流量控制设备上的瞬时流速要求不超过30m/s，同时推荐较低的流速，管道在高流速下会增强紊流，同时会导致噪音和管道内部磨蚀。即使在调压和流量控制管路上，30m/s 也是一个高值，因此，按照ASME B31.8设计的输配气管道，设计流速不应超过30m/s。
2.2 API PR14E-2007《海洋石油生产平台管线系统设计和安装的推荐》
在API PR14E规定中，单相流气体管线如果速度超过60 ft/s （即18.3 m/s）可能会产生噪音问题。因此在海洋管道的设计中，单相气体的流速不应超过18.3 m/s。除非对管道路径，阀门选用及位移等经过优化以及噪音控制。
2.3 沙特阿美公司SAES标准
沙特阿美公司的SAES-L-132 -2013《管道系統材料选择》中第5条，最大和最小流速的规定：除特殊的最大流速有规定的管道设备（例如，计量撬，喘振释放撬等）或在分支管道上有流量平衡要求的管道（例如，消防水喷淋管道）外，在材料选择表中未被限定流速的管道，在碳钢管道内的最大和最小流速应该满足如下要求：
在场站内，除了泄放和放散的气体流速，最大的流速应该限定在18.3m/s。在站场内，超过该流速的气体可能会出现噪音问题。如果管路的设置相对比较简单并且管件和阀门数量较少且通过了工程专家委员会的批准。
2.4 SHELL DEP31.38.01.11-GEN-2013《管道通用要求》
壳牌的《管道通用要求》的2.2.2条规定，气体和蒸汽管道系统尺寸规定，初步的管线尺寸计算中，要求管道内空气和其他气体（非化学腐蚀的/非机械腐蚀的）流速应满足：
10m/s至20m/s之间（33到66ft/s）或ρv2≤20000kg/ms2最大不超过60m/s（200ft/s）
其中：
ρ-气体介质的密度;
v-气体介质的流速。
通过国内、外的流速规定和设计标准和准则可以看出，虽然国内常规10～15m/s的设计流速范围与国外的规定相契合，但国内的流速规定值相对较为粗放，没有对不同的工况下的流速值进行细化和分类;而壳牌、道达尔、塞班的设计标准对流速的规定更为详细和具体，通过ρv2和ρv3计算平衡了管道压力和流速的关系，可以进一步核算不同压力下的管道流速。
3 工程实例
在某国外减压站中，业主没有指定的流速限值，需要设计方对减压后管道尺寸进行计算，在标准状态下（1个标准大气压，温度为0℃），设计流量为155291Nm3/h，管道长度为800m，上游供气压力为4.5barg。
假定采用26英寸管道，管道内的流速最大为27.22m/s，假定采用28英寸管道，管道内的流速最大为22.85m/s，通常在设计中，我们会将流速限定在15m/s以下。对比上述计算结果可知，无论26寸还是28寸流速都已经超过了15m/s的常规流速要求，通常会不予采纳。考虑到该管道用于减压站，且为低压管道，根据壳牌、道达尔和塞班的相关规定对ρv2和ρv3进行核算，结果如下：
通过计算，天然气在4.5barg下的密度值约为3.949kg/m3;
28寸天然气管道：
ρv2=2061.86kg/ms2;
ρv3=47113.54kg/ms2。
26寸天然气管道：
ρv2=2925.93kg/ms2;
ρv3=79643.71kg/ms2。
可以得出，在该设计压力下，即使采用26寸的管道，管道内的介质流速也满足壳牌，SIP和道达尔的规定，可以推荐工程上采用。
4 结语
在天然气管道的设计中，常规的设计流速限值应作为参考值，在业主没有规定流速限值的情况下，需要对管线压力和介质密度进行核算，以便更好的满足工程实际需要。此外，管道的流速还受到可接受的压力降，管道内壁的磨蚀流速以及管道的路由复杂程度等的影响，应予以综合考虑。
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