劉瑞宇

中國石油工程項(xiàng)目管理公司天津設(shè)計(jì)院，天津300457

在石油天然氣壓力管道設(shè)計(jì)中，對于基于內(nèi)壓的彎管的壓力設(shè)計(jì)及加工制作，有關(guān)規(guī)范要求千差萬別。本文分別對油氣站場內(nèi)工業(yè)金屬管道、長輸管道、集輸管道、海底管道中彎管的壓力設(shè)計(jì)及加工制作上的差異進(jìn)行對比，指出需要注意的問題，便于設(shè)計(jì)師合理設(shè)計(jì)及采購工程師準(zhǔn)確采購。

1 站場內(nèi)工業(yè)金屬管道彎管壓力設(shè)計(jì)

1.1 國際項(xiàng)目站場內(nèi)工業(yè)金屬管道

對于國際項(xiàng)目站場內(nèi)工業(yè)金屬管道彎管的壓力設(shè)計(jì)，通常首選ASME B31.3 作為其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

（1） 彎管的壓力設(shè)計(jì)。2000 年之前的ASME B31.3 版本中，對于基于內(nèi)壓的彎管壓力設(shè)計(jì)只是簡單要求彎管在彎曲成形后其壁厚至少等于直管所要求的最小壁厚。對于壁厚t ＜D/6 的直管，計(jì)算最小壁厚的勞倫茨（Lorenz） 公式[1]為：

而2000 年版修訂了勞倫茨公式，并修改了彎管壓力設(shè)計(jì)的計(jì)算公式。勞倫茨公式本質(zhì)上是圓環(huán)公式。如果彎管內(nèi)弧側(cè)和外弧側(cè)厚度相同，則內(nèi)弧側(cè)所承受的環(huán)向應(yīng)力會(huì)高于直管，而外弧側(cè)所承受的環(huán)向應(yīng)力會(huì)低于直管[1]。對彎管而言，勞倫茨公式[1-2]為：

式中：P 為設(shè)計(jì)內(nèi)壓（表壓），MPa；D 為管外徑，mm；S 為許用應(yīng)力，MPa；E 為焊件的縱向焊接接頭系數(shù)或鑄件質(zhì)量系數(shù)；W 為焊接接頭高溫強(qiáng)度降低系數(shù)；I 為彎管與直管相比時(shí)兩者由內(nèi)壓引起環(huán)向應(yīng)力差值的應(yīng)力指數(shù)；Y 為計(jì)算系數(shù)。

彎管的內(nèi)弧側(cè)的應(yīng)力指數(shù)[1-2]：

式中：R1為彎管半徑，mm。

在彎管一側(cè)，即中心突出部分處，I=1.0，亦即其環(huán)向應(yīng)力和直管相同。從內(nèi)弧側(cè)到外弧側(cè)，彎管壁厚的變化應(yīng)是漸進(jìn)的。公式中各個(gè)厚度的要求是指整個(gè)彎管中間角度為γ/2 處內(nèi)弧側(cè)、外弧側(cè)及彎頭中心線所對應(yīng)的彎管側(cè)面位置（如圖1 中A、B、C 各點(diǎn)） 上的厚度。在彎管端部的最小厚度應(yīng)不小于對于直管的要求[1]。

圖1 彎管示意

對于成型后的彎管要求的最小壁厚tm為[2]：

式中：tm為成型后的彎管要求的最小壁厚，mm；t為計(jì)算壁厚，mm；c 為厚度附加量，為腐蝕、沖蝕裕量和機(jī)械加工深度的總和，mm。

（2） 彎管的加工制作。ASME B31.3 明確彎管的加工制作執(zhí)行PFI Standard ES-24。PFI Standard ES-24 針對彎管的加工制作給出了熱彎、冷彎（本文只討論熱彎） 各三種方式，且對每種方式推薦彎管外弧側(cè)壁厚減薄的裕量，并規(guī)定內(nèi)弧側(cè)壁厚的最小壁厚。PFI Standard ES-24 基于彎管成型后外弧側(cè)的減薄推薦了母管壁厚減薄的裕量，見表1 和表2。

表1 地爐加熱彎管外弧側(cè)壁厚減薄裕量[3]

表2 增量彎曲彎管和感應(yīng)加熱彎管外弧側(cè)壁厚減薄裕量[3]

PFI Standard ES-24 彎管的母管還必須滿足內(nèi)弧側(cè)壁厚加厚的要求，即需滿足式（2）、（3）、（5） 計(jì)算結(jié)果的要求。

1.2 國內(nèi)站場壓力管道

對于國內(nèi)站場壓力管道項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，GB/T 20801 是TSG D0001—2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程- 工業(yè)管道》中規(guī)定的管道組成件強(qiáng)度計(jì)算要執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；另一個(gè)常用規(guī)范是GB 50316，而GB 50316—2000（2008 年版） 中并沒有彎管壓力設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)定，筆者對此有些詫異。下面將討論GB/T 20801 的彎管壓力設(shè)計(jì)。

（1） 彎管的壓力設(shè)計(jì)。在GB/T 20801.3—2006 的6.2 節(jié)b） 款中規(guī)定了彎管在內(nèi)弧側(cè)、外弧側(cè)或彎管中心線處（位于α/2 處，α 為彎管的轉(zhuǎn)角）的計(jì)算厚度tw[4]：

式中：P、D、S、I、Y 的定義與式（2） 相同，Φ為焊件的縱向焊接接頭系數(shù)或鑄件質(zhì)量系數(shù)。

彎管在彎曲成形后的端部最小厚度應(yīng)不小于直管設(shè)計(jì)厚度td[4]。彎管設(shè)計(jì)厚度為計(jì)算厚度與厚度附加量c 之和。

GB/T 20801.3—2006 中關(guān)于彎管的壓力設(shè)計(jì)與2000 年之前的ASME B31.3 版本基本相同。ASME B31.3 在2000 版的彎管壓力設(shè)計(jì)壁厚計(jì)算中，增加了“焊接接頭高溫下強(qiáng)度降低系數(shù)”。據(jù)筆者了解，正在征求意見的GB/T 20801 的修訂版中，彎管的壁厚計(jì)算也增加了“焊接接頭高溫強(qiáng)度降低系數(shù)”。若此，GB/T 20801 就將與ASME B31.3 完全一致了。

（2） 彎管的加工制作。在GB/T 20801.4—2006 的6.3.4 節(jié)c） 款中規(guī)定，彎管宜采用正公差壁厚的管道制作，彎管制作前管道壁厚宜符合表3的規(guī)定。管道彎曲后的最小厚度應(yīng)符合規(guī)范第3 部分（GB/T 20801.3—2006） 6.2 節(jié)b） 款的規(guī)定[5]，即本文1.2 節(jié)（1） 的內(nèi)容。

表3 彎管制作前管道壁厚[5]

2 油氣長輸與集輸管道中彎管壓力設(shè)計(jì)

2.1 輸油管道

2.1.1 國際輸油管道項(xiàng)目

對于國際輸油管道項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，通常首選ASME B31.4 作為其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

（1） 彎管的壓力設(shè)計(jì)。ASME B31.4—2016 在404.2.1 條中規(guī)定彎制前的直管壁厚為[6]：

式中：tn為滿足壓力及裕量要求的公稱壁厚，mm；t 為壓力設(shè)計(jì)計(jì)算壁厚，mm；A 為螺紋、開槽、腐蝕等壁厚附加量，mm；D 為管道外徑，mm；Pi為設(shè)計(jì)內(nèi)壓，mm；S 為鋼管許用應(yīng)力，MPa，S =FESy，E 為焊接接頭系數(shù)，F(xiàn) 為設(shè)計(jì)系數(shù)，Sy為規(guī)定最小屈服強(qiáng)度，MPa。

（2） 彎管的加工制作。ASME B31.4 中規(guī)定彎管的加工制作執(zhí)行ASME B16.49。ASME B16.49—2017 中的2.2 節(jié)規(guī)定，基于內(nèi)壓設(shè)計(jì)的彎管內(nèi)弧側(cè)壁厚應(yīng)根據(jù)式（9） 確定；彎管中性軸和外弧側(cè)的壁厚應(yīng)不小于對接管設(shè)計(jì)壁厚或客戶規(guī)定的最小壁厚[7]：

式中：TI為內(nèi)弧側(cè)要求最小壁厚，mm；Do為公稱外徑，mm；R 為彎曲半徑（彎管中心線處），mm；t 為設(shè)計(jì)公稱壁厚，mm，彎管采購單中規(guī)定的壁厚或標(biāo)記在彎管上的壁厚。

ASME B16.49—2017 在12.3 節(jié)中對于加工制作成形后的彎管壁厚要求為：在任何位置上的最小壁厚不低于彎管標(biāo)記壁厚的90%（或不低于買方規(guī)定的最小壁厚[7]）。

2.1.2 國內(nèi)輸油管道項(xiàng)目

對于國內(nèi)輸油管道項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，按GB 50253輸油管道設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1） 彎管的壓力設(shè)計(jì)。GB 50253—2014 中輸油管道彎管的壁厚為[8]：

式中：δH為彎管外弧側(cè)壁厚最小值，mm；δi為彎管內(nèi)弧側(cè)壁厚最小值，mm；δ 為彎管所連接直管段壁厚計(jì)算厚度，mm；m 為彎管的壁厚增大系數(shù)；P 為設(shè)計(jì)內(nèi)壓力，MPa；D 為彎管的外直徑，mm；R 為彎管的曲率半徑，mm；[σ]為鋼管的許用應(yīng)力，MPa。

（2） 彎管的加工制作。GB 50253 設(shè)計(jì)的彎管按SY/T 5257 加工制作。在SY/T 5257—2012 中，油氣輸送用感應(yīng)加熱彎管5.3 節(jié)規(guī)定[9]：

式中：R 為彎管彎曲半徑，mm；r 為母管外半徑，mm；tmin為根據(jù)GB 50251 或GB 50253 計(jì)算的彎管直段計(jì)算壁厚，mm。

在SY/T 5257—2012 的8.7.1 條中規(guī)定了壁厚最大減薄率：當(dāng)彎曲半徑R = 5D 時(shí)，應(yīng)不大于10%；當(dāng)彎曲半徑R≥6D 時(shí)，應(yīng)不大于9%。壁厚減薄率為[9]：

式中：C 為壁厚減薄率，mm；t1為母管實(shí)際壁厚的最小值，mm；tH為彎管外弧側(cè)最薄處壁厚。

雖然彎管的加工制作執(zhí)行SY/T 5257—2012，但GB 50235—2014 又明確規(guī)定了彎管的母管壁厚計(jì)算公式[8]：式中：δb為彎管母管計(jì)算壁厚，mm；δ 為彎管所連接直管段的計(jì)算壁厚，mm；C 為彎管彎制允許最大壁厚減薄率。

2.2 輸氣管道

2.2.1 國際輸氣管道項(xiàng)目

對于國際輸氣管道項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，通常首選ASME B31.8 作為其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

（1） 彎管的壓力設(shè)計(jì)。ASME B31.8—2014在IV 章841.1.1 條中規(guī)定，彎制前的直管最小壁厚為[10]：

式中：t 為公稱壁厚，mm；P 為設(shè)計(jì)壓力，MPa；D 為鋼管外徑，mm；E 為焊接接頭系數(shù)，mm；F為設(shè)計(jì)系數(shù)；S 為規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度，MPa；T為溫度折減系數(shù)。

（2） 彎管的加工制作。ASME B31.8 中規(guī)定彎管的加工制作執(zhí)行前面介紹的ASME B16.49 標(biāo)準(zhǔn)，這里不再敷述。

2.2.2 國內(nèi)輸氣管道項(xiàng)目

對于國內(nèi)輸氣管道項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，按GB 50251輸氣管道設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1） 彎管的壓力設(shè)計(jì)。GB 50251—2015 規(guī)定的輸氣管道彎管的壁厚為[11]：

式中：δb為彎管的管壁計(jì)算厚度，mm；δ 為與彎管所連接的同材質(zhì)直管段管壁計(jì)算厚度，mm；m為彎管的管壁厚度增大系數(shù)；R 為彎管的曲率半徑，mm；D 為彎管的外直徑，mm；P 為設(shè)計(jì)壓力，MPa；σs為鋼管的最小屈服強(qiáng)度，MPa；φ 為焊縫系數(shù)；F 為強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)；t 為溫度折減系數(shù)。

（2） 彎管的加工制作。與輸油管道相同，國內(nèi)輸氣管道項(xiàng)目的彎管按SY/T 5257 加工制作。

2.3 集輸管道

對于國內(nèi)油氣集輸項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，油田油氣集輸項(xiàng)目的設(shè)計(jì)選用GB 50350—2015，氣田集輸項(xiàng)目的設(shè)計(jì)選用GB 50349—2015。經(jīng)對比分析可知，GB 50350—2015 與GB 50349—2015 中關(guān)于彎管的壓力設(shè)計(jì)與GB 50251—2015 基本一致。

3 海底管道彎管壓力設(shè)計(jì)

對于海底管道項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，無論國際、國內(nèi)項(xiàng)目都首選DNVGL-ST-F101 作為設(shè)計(jì)規(guī)范。

3.1 彎管的壓力設(shè)計(jì)

對于海底管道直管壁厚計(jì)算，除考慮內(nèi)壓引起的爆裂外，還要考慮外壓壓潰、局部屈曲、整體屈曲、屈曲擴(kuò)展等多種因素，這里就不進(jìn)行討論。對于彎管的壓力設(shè)計(jì)，DNVGL-ST- F101—2017 也沒有給出明確的規(guī)定，其彎管壓力設(shè)計(jì)及加工制作執(zhí)行ISO 15590-1。

3.2 彎管的加工制作

DNVGL-ST-F101 規(guī)定彎管的加工制作執(zhí)行ISO 15590-1。在ISO 15590-1—2018 第7 章中關(guān)于彎管最小壁厚規(guī)定[12]：彎管外弧側(cè)上的最小壁厚為tmin，tmin為ISO 13623 或其他適用的設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的彎管所連接直管段管壁的最小壁厚（含全部腐蝕裕量），mm。

彎管內(nèi)弧側(cè)的最小壁厚為：式中：ti為內(nèi)弧側(cè)最小壁厚，mm；rp為母管的公稱半徑，mm；rb為彎曲中心線半徑，mm。

ISO15590-1—2018 中沒有規(guī)定彎管加工制作中的壁厚最大減薄率，也沒有推薦母管的最小壁厚。

4 規(guī)范間差異分析

4.1 彎管壁厚的計(jì)算及要求

ASME B31.3、GB/T 20801.3、GB 50251、GB 50253、GB 50349、GB 50350 明確了彎管的壁厚計(jì)算；ASME B31.4、ASME B31.8、DNVGL-ST-F101沒有明確彎管的壁厚計(jì)算，其彎管的壁厚計(jì)算在相應(yīng)的彎管加工制作規(guī)范ASME B16.49 及ISO 15590-1 中。

ASME B31.3、GB/T 20801.3 在進(jìn)行彎管壓力設(shè)計(jì)時(shí)，明確了彎管壁厚的計(jì)算采用式（2） ～（6），并規(guī)定：彎管與所連接直管相比，彎管的內(nèi)弧側(cè)壁厚要增厚，外弧側(cè)壁厚可減薄，中軸側(cè)壁厚不減薄。特別說明的是，對各個(gè)厚度的要求是指整個(gè)彎管中間角度處，在內(nèi)弧側(cè)、外弧側(cè)及彎頭中心線所對應(yīng)的彎管位置（如圖1 中A、B、C 三點(diǎn)） 上的厚度。ASME B31.3 明確要求彎管從內(nèi)弧側(cè)到外弧側(cè)彎管壁厚的變化應(yīng)是漸進(jìn)的，彎管切線端部（切開位置） 的最小厚度應(yīng)不小于對接直管的壁厚。GB/T 20801.3 雖沒有明確要求，但也理應(yīng)是漸進(jìn)平緩的變化。單從系數(shù)上對比，上述兩個(gè)規(guī)范中各系數(shù)完全相同。

GB 50253 指出彎管壁厚的詳細(xì)計(jì)算采用式（10） ～（13），規(guī)定彎管的外弧側(cè)最小壁厚不小于彎管所連接直管段管壁計(jì)算厚度，彎管的內(nèi)弧側(cè)最小壁厚不小于彎管所連接直管段管壁計(jì)算厚度乘以壁厚增大系數(shù)，即彎管的內(nèi)弧側(cè)壁厚要增厚，外弧側(cè)壁厚不減薄。在GB 50253 對應(yīng)的加工制作規(guī)范SY/T 5257 中也規(guī)定了彎管壁厚的詳細(xì)計(jì)算方法采用式（11）、式（15），與GB 50253 中計(jì)算方法完全一致。也就是說，設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定了彎管的壁厚計(jì)算公式，加工制作規(guī)范中又重復(fù)規(guī)定了彎管的壁厚計(jì)算公式。

GB 50251 指出彎管壁厚的詳細(xì)計(jì)算方法采用式（19）、式（20），規(guī)定彎管壁厚等于彎管所連接直管段管壁計(jì)算厚度乘以壁厚增大系數(shù)。這與其他規(guī)范都不同，其他規(guī)范都是只要求彎管的內(nèi)弧側(cè)壁厚增厚，而GB 50251 則要求彎管壁厚增厚。GB 50251 沒有指明是內(nèi)弧側(cè)壁厚增厚，這就意味著是整個(gè)彎管的壁厚增厚。GB 50251 的這種要求與其相對應(yīng)的加工制作規(guī)范也不一致。GB 50349、GB 50350 也都給出了彎管壁厚的詳細(xì)計(jì)算方法，與GB 50251 相同。

輸油、輸氣、集輸及海底管道彎管的壁厚計(jì)算與站場工業(yè)管道彎管的壁厚計(jì)算相比較，如單從各公式中壁厚增大時(shí)的系數(shù)本身來對比，完全相同；但不同的是，輸油、輸氣、集輸及海底管道彎管的壁厚計(jì)算是用直管壁厚乘以壁厚增大系數(shù)來確定彎管的壁厚，而站場工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中直管壁厚和彎管壁厚的計(jì)算之間并不是線性關(guān)系，即不是直管的壁厚直接乘以壁厚增大系數(shù)就確定了彎管的壁厚。

4.2 彎管的加工制作及壁厚要求

PFI Standard ES-24 作為ASME B31.3 配套的彎管加工制作規(guī)范，明確了三種熱彎、三種冷彎的加工制作工藝。由于ASME B31.3 對彎管壁厚的要求非常明確，PFI Standard ES-24 沒再重復(fù)對彎管壁厚的計(jì)算及要求。

GB/T 20801.4—2006 作為GB/T 20801.3—2006配套的制作與安裝規(guī)范，沒有詳細(xì)說明彎管的加工制作方法，只是簡單提到了彎管的制作“可采用熱彎和冷彎兩種方法”。和PFI Standard ES-24 一樣，GB/T 20801.4—2006 也沒再重復(fù)對彎管壁厚的計(jì)算及要求。

ASME B16.49 作為ASME B31.4、ASME B31.8配套的彎管加工制作規(guī)范，規(guī)定彎管壁厚的詳細(xì)計(jì)算方法采用式（9），并規(guī)定彎管內(nèi)弧側(cè)壁厚增厚、彎管外弧側(cè)壁厚應(yīng)不小于對接管設(shè)計(jì)壁厚或客戶規(guī)定的最小壁厚。ASME B16.49 只針對感應(yīng)加熱彎管。

ISO 15590-1 作為DNVGL-ST-F101 指定的配套彎管加工制作規(guī)范，規(guī)定彎管壁厚的詳細(xì)計(jì)算方法采用式（22），并規(guī)定彎管內(nèi)弧側(cè)壁厚增厚、彎管外弧側(cè)壁厚應(yīng)不小于彎管所連接直管段管壁的最小壁厚。ISO 15590-1 也只針對感應(yīng)加熱彎管。

SY/T 5257 作 為GB 50251、GB 50253、GB 50349、GB 50350 配套的彎管加工制作規(guī)范，給出彎管的詳細(xì)計(jì)算方法采用式（14）、式（15），并規(guī)定彎管內(nèi)弧側(cè)壁厚增厚、彎管外弧側(cè)壁厚應(yīng)不小于對接管設(shè)計(jì)壁厚。對于加工制作規(guī)范中的壁厚增大系數(shù)與設(shè)計(jì)規(guī)范中的壁厚增大系數(shù)，單從系數(shù)本身來對比，完全相同。

需要強(qiáng)調(diào)的是，國際規(guī)范對彎管的壁厚計(jì)算及要求只在設(shè)計(jì)、加工制作兩個(gè)規(guī)范的其中一個(gè)規(guī)范中規(guī)定，而國內(nèi)規(guī)范則是既在設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，又在加工制作規(guī)范中規(guī)定，這些規(guī)定大多重復(fù)，有些還相互矛盾。

4.3 壁厚減薄

對于彎管制作過程中壁厚的減薄，有些加工制作規(guī)范明確了減薄率，大部分規(guī)范則沒有規(guī)定。

SY/T 5257 規(guī)定5D 彎管的減薄率是10%，6D及以上彎管的減薄率是9%，并給出了壁厚減薄率的計(jì)算公式，見式（16）。ASME B16.49 并沒有要求減薄率，而是規(guī)定了彎管成形后的壁厚。ASME B16.49 要求在任何位置上的最小壁厚不低于彎管標(biāo)記壁厚的90%（或不低于買方規(guī)定的最小壁厚）。

在實(shí)際應(yīng)用中，通常在采購單中規(guī)定的壁厚是選用壁厚而不是設(shè)計(jì)壁厚。如某項(xiàng)目設(shè)計(jì)壁厚為15.7 mm，而選用壁厚為按ASME B36.10 中標(biāo)準(zhǔn)系列選取的適合壁厚15.88 mm，則采購單中的壁厚一般為15.88 mm。如果沒有特別指明要求彎管的最小壁厚，那么標(biāo)記在彎管上的壁厚15.88 mm 實(shí)為選用的壁厚。假設(shè)該項(xiàng)目所用鋼管為API 5L X60 PLS2 埋弧焊焊接鋼管，根據(jù)API 5L—2018 的鋼管壁厚公差的規(guī)定，壁厚15 mm 以上的公差為±1.5 mm，則公稱壁厚為15.88 mm 的鋼管合格壁厚范圍為14.38～17.38 mm。按ASME B16.49制作的彎管，若未規(guī)定其最小壁厚，則壁厚標(biāo)記為15.88 mm 彎管的最小壁厚可以是14.29 mm（15.88 mm 的90%）。如果制作后的彎管最小壁厚恰好是最小壁厚14.29 mm，則此彎管的壁厚低于所連接的直管段的最小壁厚（14.38 mm），不滿足“中性軸和彎管外弧側(cè)上的厚度應(yīng)不小于對接管設(shè)計(jì)壁厚或客戶規(guī)定的最小壁厚”的規(guī)定。這是由于此時(shí)鋼管允許公差范圍內(nèi)的壁厚是公稱壁厚的90.55%，而ASME B16.49 則要求在彎管的任何位置上的最小壁厚不低于彎管標(biāo)記的公稱壁厚的90%（或不低于買方規(guī)定的最小壁厚） 造成的。這種情況下，就需要在提交彎管采購單時(shí)，規(guī)定彎管的最小壁厚，而不是規(guī)定彎管的公稱壁厚。ISO 15590-1 標(biāo)記的彎管壁厚是最小壁厚，且規(guī)定最小壁厚的允許公差為零，就不存在這一問題。

4.4 彎管母管壁厚

PFI Standard ES-24 分別從滿足外弧側(cè)壁厚的減薄、內(nèi)弧側(cè)壁厚的增厚規(guī)定彎管的母管壁厚要求。針對彎管的外弧側(cè)壁厚減薄，推薦了彎管制作前母管的壁厚，見表1、表2。針對彎管內(nèi)弧側(cè)壁厚的增厚則要求滿足式（2）、式（3）、式（5）計(jì)算所得到的彎管最小要求壁厚tm即可。

GB/T 20801.4—2006 中也推薦了彎管制作前的管道壁厚，見表3。對比表3 和表1、表2，表3與表1 極為相似。筆者認(rèn)為GB/T 20801.4—2006推薦的母管壁厚參考了PFI Standard ES-24 中“地爐加熱彎管制作前管道最小壁厚”，而沒有參考“增量彎曲彎管和感應(yīng)加熱彎管制作前管道最小壁厚”。目前大多數(shù)規(guī)范的彎管加工制作方法都是采用感應(yīng)加熱方法制作，所以，筆者對GB/T 20801.4—2006 母管壁厚的推薦表（表3） 沒有參考“感應(yīng)加熱彎管制作前管道最小壁厚表（表2）”而感到不解。

GB 50253 不是推薦母管壁厚，而是明確規(guī)定了母管的壁厚計(jì)算，見式（17），這就意味著GB 50253 嚴(yán)格規(guī)定了彎管的母管壁厚，而不是推薦。GB 50251、GB 50349、GB 50350 雖沒有在設(shè)計(jì)規(guī)范中給出母管壁厚的計(jì)算公式，但其對應(yīng)的加工制作規(guī)范SY/T 5257—2012 規(guī)定了減薄率計(jì)算公式，見式（16），實(shí)際上等于規(guī)定了母管壁厚的最小值。其他規(guī)范都沒有明確規(guī)定彎管的母管壁厚。

5 舉例說明差異

某批API 5L X60 PLS2、公稱直徑為DN 600、公稱壁厚15.88 mm 的100%射線檢測的埋弧焊焊接鋼管，在其完全符合以下各標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的材料規(guī)格書規(guī)定的前提下，假設(shè)與彎管連接的直管段的管壁計(jì)算厚度按上述各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范計(jì)算均為15.7 mm，對比一下按各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計(jì)的5D 彎管的壁厚及母管壁厚的差異。按API 5L—2018 的規(guī)定，鋼管壁厚公差±1.5 mm，該批鋼管壁厚在14.38～17.38 mm 之間。

5.1 國內(nèi)輸油項(xiàng)目

國內(nèi)輸油項(xiàng)目的彎管壁厚按GB 50253—2014設(shè)計(jì)，將R=5D 代入式（14），δ=15.7 mm 代入式（9）、式（10）。經(jīng)計(jì)算，彎管的內(nèi)弧側(cè)壁厚最小值δi=16.57mm，外弧側(cè)壁厚最小值δH=15.7mm。

5D 彎管按SY/T 5257—2014 制作，母管最大減薄率C=10%，代入式（17），計(jì)算可得母管壁厚δb=17.44 mm。

由于要求母管壁厚為17.44 mm，而該批鋼管最大正公差壁厚僅為17.38 mm，導(dǎo)致無法使用此批鋼管作為彎管的母管，只能另行采購公稱壁厚為17.48 mm（壁厚為正公差或壁厚在17.44 mm 以上的負(fù)公差） 鋼管作為母管。

5.2 國際輸油項(xiàng)目

國際輸油項(xiàng)目的彎管壁厚按ASME B31.4—2016 設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)規(guī)范中并沒有規(guī)定彎管的壓力設(shè)計(jì)及壁厚要求，其要求全部體現(xiàn)在制作規(guī)范ASME B16.49—2017 中。正如4.3 節(jié)中所述，如果在采購單中沒有規(guī)定彎管最小壁厚，只是提出了彎管壁厚為15.88 mm，則彎管加工制作商把15.88 mm 認(rèn)為是公稱設(shè)計(jì)壁厚t（實(shí)際公稱設(shè)計(jì)壁厚是15.7 mm）。將R=5Do、t=15.88 mm 代入式（12），經(jīng)計(jì)算或按規(guī)定，彎管外弧側(cè)及中性軸壁厚最小值為15.88 mm，彎管的內(nèi)弧側(cè)壁厚最小值ti=16.76 mm。

ASME B31.4—2016 及ASME B16.49—2017 未規(guī)定母管壁厚。該批鋼管最大正公差壁厚17.38 mm是彎管外弧側(cè)及中性軸壁厚最小值15.88 mm 的1.09 倍。借鑒PFI Standard ES-24 中表3 所推薦的母管壁厚，可以認(rèn)為，彎管制作廠商完全可以通過控制制作工藝，使得彎管的內(nèi)弧側(cè)壁厚大于等于16.76 mm，彎管外弧側(cè)及中性軸壁厚大于等于15.88 mm，這樣，只要彎管制作工藝合適，就有可能使用同批次管道作為母管，而無需另行采購更大壁厚的鋼管。

5.3 國內(nèi)輸氣項(xiàng)目

國內(nèi)輸氣項(xiàng)目的彎管壁厚按GB 50251—2015設(shè)計(jì)，將R=5D 代入式（20），δ=15.7 mm 代入式（19）。經(jīng)計(jì)算，彎管的壁厚（不區(qū)分外弧側(cè)、內(nèi)弧側(cè)） δb=16.57 mm。

5D 彎管按SY/T 5257—2014 制作，母管最大減薄率C=10%。將C=10%及計(jì)算所得的彎管外弧側(cè)最薄處壁厚tH=δb=16.57 mm 代入式（19），計(jì)算得到母管實(shí)際壁厚的最小值t1=18.41 mm。

單從SY/T 5257—2014 規(guī)范來分析，根據(jù)GB 50251 計(jì)算的彎管直段計(jì)算壁厚tmin=15.7 mm，彎管的彎曲半徑R=5D=10r，將上述值代入式（14）、式（15），經(jīng)計(jì)算，彎管外弧側(cè)壁厚最小值tH=15.7 mm，彎管內(nèi)弧側(cè)壁厚最小值ti= 16.57 mm。母管最大減薄率C=10%，將C=10%及tH=15.7 mm代入式（16），經(jīng)計(jì)算可得母管實(shí)際壁厚的最小值t1=17.44 mm。

上述兩種方式計(jì)算所得的母管壁厚，一個(gè)是18.41 mm，另一個(gè)是17.44 mm，結(jié)果相互矛盾，這是由于GB 50251—2015 對于彎管壁厚的要求未區(qū)分內(nèi)弧側(cè)、外弧側(cè)，而是一律按增厚考慮；SY/T 5257 對于彎管壁厚增厚的要求只是針對內(nèi)弧側(cè)，且對于彎管外弧側(cè)壁厚的要求明確寫明“彎管外弧側(cè)壁厚最小值tH≥tmin（根據(jù)GB 50251 或GB 50253 計(jì)算的彎管直段計(jì)算壁厚）”。

作為設(shè)計(jì)者，理應(yīng)從設(shè)計(jì)規(guī)范出發(fā)，而不能單單依據(jù)加工制作規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，即取具有更為嚴(yán)格要求的、按設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算得到的值：彎管的壁厚16.57 mm，母管壁厚18.41 mm。出現(xiàn)此種情況，無法利用該批鋼管作為彎管的母管，只能另行采購公稱壁厚為19.05 mm（壁厚為正公差以及部分壁厚為18.41 mm 以上的負(fù)公差） 的鋼管作為母管。

筆者認(rèn)為，按GB 50251—2015 設(shè)計(jì)的彎管過于保守，而且只有GB 50251 規(guī)定了整個(gè)彎管的壁厚。其他規(guī)范，比如國際上輸氣項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)范ASME B31.8，都對彎管內(nèi)弧側(cè)、外弧側(cè)的壁厚提出不同的要求，且與GB 50251 對應(yīng)的SY/T 5257也和其他規(guī)范一樣對彎管內(nèi)弧側(cè)、外弧側(cè)的壁厚提出不同的要求。因此，GB 50251—2015 對于彎管壁厚的要求值得商榷。

5.4 站場工業(yè)金屬管道項(xiàng)目

對于站場工業(yè)金屬管道項(xiàng)目的彎管壁厚，國際上按ASME B31.3 設(shè)計(jì)，國內(nèi)按GB/T 20801.3—2006 設(shè)計(jì)，兩者相同，這里僅以國際項(xiàng)目為例進(jìn)行說明。

由于站場工業(yè)金屬管道與油氣長輸管道、油氣集輸管道在直管、彎管的壓力設(shè)計(jì)理念上不同，所以無法直接對比。本文只是想要對比各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對彎管內(nèi)外側(cè)弧壁厚和母管壁厚要求之間的差異?；诖四康?，假設(shè)本例中設(shè)計(jì)壁厚15.7 mm 包含了c=3 mm 的厚度附加量，即按式（2） 在I=1時(shí)計(jì)算所得的壁厚（直管的計(jì)算壁厚） t=12.7 mm。查ASME B31.3 相關(guān)表格，得到S=172 MPa，E=1，W=1，Y=0.4（假設(shè)介質(zhì)為常溫）。為便于對比，將上述參數(shù)及D =610 mm 代入式（2），反推設(shè)計(jì)壓力P，得P =7.28 MPa。將R1=5D 代入式（3）、式（4），并將P=7.28 MPa，D=610 mm，S=172 MPa，E=1，W=1，Y=0.4 代入式（2）。經(jīng)計(jì)算，彎管內(nèi)弧側(cè)中間角度處（圖1 中A 點(diǎn)）計(jì)算壁厚t = 13.39 mm，彎管外弧側(cè)中間角度處（圖1 中B 點(diǎn)） 計(jì)算壁厚t=12.13 mm，彎管中性軸處計(jì)算壁厚t=12.7 mm。將上述計(jì)算所得t 值，厚度附加量c=3 mm 代入式（5），即得彎管最小要求壁厚tm：彎管內(nèi)弧側(cè)中間角度處（圖1 中A點(diǎn)） 最小要求壁厚tm=16.39 mm，彎管外弧側(cè)中間角度處（圖1 中B 點(diǎn)）最小要求壁厚tm=15.13mm，彎管中性軸處最小要求壁厚tm= 15.7 mm。查表2，5D 感應(yīng)加熱彎管母管壁厚為1.08 tm，tm為直管設(shè)計(jì)壁厚15.7 mm，計(jì)算得母管壁厚為16.96 mm，該壁厚也滿足內(nèi)弧側(cè)設(shè)計(jì)壁厚16.39 mm 的要求。綜上所述，這樣的彎管完全可利用該批壁厚正公差（16.96～17.38 mm） 的鋼管作為母管，無需另行采購母管。

6 結(jié)束語

對比壓力管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對彎管壁厚的要求可知：GB 50251—2015、GB 50349—2015、GB 50350—2015 要求整個(gè)彎管的壁厚加厚；輸油設(shè)計(jì) 規(guī) 范 GB 50253—2014、 海 底 管 道 系 統(tǒng)DNVGL-ST-F101 要求彎管內(nèi)弧側(cè)壁厚加厚、外弧側(cè)壁厚與所連直管壁厚相同，無需加厚；ASME B31.4、ASME B31.8 要求彎管內(nèi)弧側(cè)壁厚加厚，外弧側(cè)、中性軸壁厚與所連直管壁厚相同，無需加厚；GB/T 20801、ASME B31.3—2016 規(guī)定彎管內(nèi)弧側(cè)壁厚加厚、外弧側(cè)壁厚減薄、中性軸壁厚與所連直管壁厚相同。GB/T 20801、ASME B31.3推薦了母管壁厚，GB 50253 直接規(guī)定了母管壁厚，GB 50251、GB 50349、GB 50350 間接規(guī)定了母管壁厚，其他規(guī)范未規(guī)定母管壁厚。各個(gè)規(guī)范設(shè)計(jì)理念不同，無法說明哪個(gè)規(guī)范合理，哪個(gè)規(guī)范不合理。但ASME B31.3 是在綜合考慮了彎管內(nèi)外弧側(cè)所受的環(huán)向應(yīng)力并結(jié)合彎管制作工藝中實(shí)際形成的外弧側(cè)減薄、內(nèi)弧側(cè)加厚的情況，確定的彎管外弧側(cè)壁厚減薄、內(nèi)弧側(cè)壁厚增厚的要求，并推薦了壁厚更小的母管?？偟膩砜?，GB 50251、GB 50349、GB 50350 規(guī)定的母管壁厚值最大，GB 50253 次之，GB/T 20801、ASME B31.3推薦的母管壁厚最小。