某单井站场工艺设计站内工艺管道管径及壁厚设计-学位论文.doc

重庆科技学院

课程设计报告

院（系）: 专业班级:
学生姓名: 学 号:
设计地点（单位）__ ________ _ ___
设计题目: _ 某单井站场工艺设计
——站内工艺管道及壁厚设计
完成日期： 年 月 日

指导教师评语: _________ _____________________ _____ ____
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成绩（五级记分制）:______ __________
指导教师（签字）:________ ________

摘要

管道的设计计算和安装不当，将会影响整个系统的经济性及工作的可靠性，甚至会带来严重的破坏性事故。在对单井站场进行的工艺设计中，管道设计十分重要。本文根据课程设计任务书的要求，进行某单井站场的工艺设计中站内管径及壁厚的设计。设计中我们主要通过气井产量、进站压力及进站温度等数据，按照管路中温度、压力、流量的变化将管路分成三部分计算，分别为：从井口出来，到第一个节流阀作为第一部分；从第一个节流阀到第二个节流阀作为第二部分；第二个节流阀后为第三部分。首先通过压力和密度来确定经济流速，然后再根据流量和经济流速来确定管径、壁厚。最后根据管径和壁厚对管道选型设计出合适的管道，从而完成管道部分设计。
关键词：单井 工艺设计 管径 壁厚

前言

管道运输是油、气运输的最主要的方式，也是油、气集输和储运工程中的重要组成部分。管道作为油气收集的主要载体出现在矿场油气集输及处理，油气的长距离运输，各转运枢纽的储存和装卸，终点分配油库的营销，炼油厂和石化厂的油气集输和储运的各个环节中。管道运输由于具有缓和交通、安全性好、降低噪音和空气安全、能耗低，不受天气条件影响等优点，因而具有广泛的发展空间。
运输管道承受着所运输介质的压力和温度的作用，同时还遭受所通过地带各种自然环境和人为因素的影响，加之最近几十年输油气管道朝着大口径，高压力方向发展。由于压力管道的操作条件、应用环境、应用时间、应用空间、制造和施工环节等方面的多样性，决定了管道研究的复杂性。它不仅涉及到金属材料科学、金属腐蚀学、理论力学、材料力学、机械振动学、流体力学等基础学科，还涉及到了石油加工工艺学等工程学科。对钢材的强度、韧性、以及可焊性提出了相当高的要求，在使用过程中可能发生各种破漏或断裂事故。管道事故不仅因漏影响运输造成金济损失，而且还会污染环境。为确保管道的安全运行和预防管道事故产生应从设计、施工和操作三方面这首，其中合理设计壁厚、管径，选择材料也是相当重要的。

油气集输工程课程设计 目录

目录

1 设计说明书………………………………………………………………………1
1.1 概述…………………………………………………………………………1
1.1.1 设计任务书……………………………………………………………1
1.1.2 设计内容………………………………………………………………1
1.1.3 设计依据………………………………………………………………1
1.1.4 遵循的主要规范和标准………………………………………………1
1.2 工艺设计说明………………………………………………………………1
1.2.1 工艺方法的选择………………………………………………………1
1.2.2 工艺流程的设计………………………………………………………1
2 计算说明书………………………………………………………………………3
2.1 对设计参数的处理…………………………………………………………3
2.1.1 第一段管道的设计（第一次节流前）………………………………3
2.1.1.1天然气基本资料 …………………………………………………3
2.1.1.2压缩因子的确定 …………………………………………………4
2.1.1.3密度的确定 ………………………………………………………4
2.1.1.4流速的确定 ………………………………………………………5
2.1.2第二段管道的设计（第一次节流后到第二次节流前） ……………5
2.1.2.1第一次节流后温度压力 …………………………………………5
2.1.2.2压缩因子的确定 …………………………………………………5
2.1.2.3密度的确定 ………………………………………………………5
2.1.2.4流速的确定 ………………………………………………………5
2.1.3第三段管道的设计（第二次节流后） ………………………………6
2.1.3.1第二次节流后温度压力 …………………………………………6
2.1.3.2压缩因子的确定 …………………………………………………6
2.1.3.3密度的确定 ………………………………………………………6
2.1.3.4流速的确定 ………………………………………………………6
2.2管道工艺计算（直径、壁厚） ……………………………………………6
2.2.1第一段管………………………………………………………………6
2.2.1.1第一段管径的确定………………………………………………6
2.2.1.2根据参数确定管道壁厚…………………………………………7
2.2.2第二段管………………………………………………………………8
2.2.2.1第二段管径的确定………………………………………………8
2.2.2.2根据参数确定管道壁厚…………………………………………8
2.2.3第三段管………………………………………………………………8
2.2.3.1第三段管径的确定………………………………………………8
2.2.3.2根据参数确定管道壁厚…………………………………………9
3 管道的选型结果…………………………………………………………………10
3.1管道参考参数 ………………………………………………………………10
3.2管道选型结果 ………………………………………………………………11
3.2.1第一段管道 ……………………………………………………………11
3.2.2第二段管道 ……………………………………………………………11
3.2.3第三段管道 ……………………………………………………………11
4 结束语 ……………………………………………………………………………12
参考文献 …………………………………………………………………………13
IV
油气集输工程课程设计 设计说明书

1 设计说明书

1.1概述
1.1.1设计任务
本次课程设计的任务是通过对天然气物性基础计算，分离器设计计算，站内工艺管道管径及壁厚设计，换热器设计计算，节流阀设计计算；放空管线设计计算，安全阀的设计计算等来设计计算一个单井站场，最后再根据计算的结果选型再画流程图和平面布置图。还要选用输气管线的材质，最后写自己在课程设计中的心得体会。
1.1.2设计内容
本次课程设计内容主要包括天然气物性基础计算，分离器设计计算，站内工艺管道管径及壁厚设计，换热器设计计算，节流阀设计计算；放空管线设计计算，安全阀的设计计算，画流程图和平面布置图等。各部分设计内容数据会有关联和重叠，最后通过团体合作完成集气站工艺设计。我们这一小组，根据课程设计任务书的要求，对某个单井站场进行的工艺设计中的站内配管设计，其中包括站内管径及壁厚的设计。
1.1.3设计依据
设计中我们主要通过气井产量、进站压力、以及进站温度等数据，对管道的管径和壁厚进行计算，并根据计算结果对设备进行选型。根据我们所学的计算公式，依据主要规范和标准《油田油气集输设计技术手册》等，可以通过压力和密度来确定经济流速，然后再根据流量和经济流速来确定管径、壁厚。最后根据管径和壁厚对管道选型设计出合适的管道。
1.1.4遵循的主要规范和标准
《油田油气集输设计技术手册》、《GB50350-2005油气集输设计规范》、《天然气技术技术》等。

1.2工艺设计说明
1.2.1工艺方法的选择
计算过程中首先通过基础参数分析得出其他参数，再通过压力和密度来确定经济流速，然后再根据流量和经济流速来确定管径、壁厚。最后根据管径和壁厚对管道选型，设计出合适的管道，从而完成管道部分设计。
1.2.2工艺流程的设计
本设计按照管路中温度、压力、流量的变化将管路分成三部分计算，分别为：从井口出来，到第一个节流阀作为第一部分；从第一个节流阀到第二个节流阀作为第二部分；第二个节流阀后为第三部分。天然气从井口出来的第一次节流后的天然气必须满足不生成水合物的温度和压力条件。此后，若操作条件下温度和压力会造成天然气形成水合物就要对天然气进行换热操作作业，然后进行第二次节流，第二次节流后，使天然气压力达到出站压力3MPa。

2
油气集输工程课程设计 计算说明书

2 计算说明书

2.1 对设计参数的处理
2.1.1第一段管道的设计（第一次节流前）
2.1.1.1天然气基本资料
甲烷
79.21
乙烷
9.23
丙烷
2.72
异丁烷
0.54
正丁烷
0.64
异戊烷
0.19
正戊烷
0.16
己烷

及更重组分
0.37
氮气
4.82
二氧化碳
2.13
取样含空气
0.68
平均分子量
20.25
临界温度
210.2
理想体积高位发热量
40.41
真实体积高位发热量
40.52
相对密度
0.7
临界压力
4601.2
理想体积低位发热量
36.6
真实体积低位发热量
36.7
表2.1天然气组成
井口温度：50℃
井口压力：25MPa
单井产量：10×104m3/d
出站压力：3MPa
由课程设计任务书(表2.1)得：
M=20.25 TPC=210.2K PPC=4.6012MPa S=0.7 Qg=10×104m³/d
T=50℃ P=25MP

3
2.1.1.2压缩因子的确定

再查图2.1得：

图2.1 天然气压缩因子图版
2.1.1.3密度的确定
气体的状态方程为：
(2.1)
推导可得到某压力和温度下的密度公式为：
(2.2)

4

2.1.1.4流速的确定
经济流速公式：
(2.3)

2.1.2第二段管道的设计（第一次节流后到第二次节流前）
2.1.2.1第一次节流后温度压力
第一次节流后温度（℃）
第一次节流后压力（MPa）
20℃
10MPa
表2.2 第一次节流后温度压力
2.1.2.2压缩因子的确定

再查前面图2.1得：
2.1.2.3密度的确定
气体的状态方程为：

推导可得到某压力和温度下的密度公式为：

2.1.2.4流速的确定
经济流速公式：

2.1.3第三段管道的设计（第二次节流后）
2.1.3.1第二次节流后温度压力
第二次节流后温度（℃）
第二次节流后压力（MPa）
24℃
3MPa
表2.3 第二次节流后温度压力
2.1.3.2压缩因子的确定

再查前面图2.1得：
2.1.3.3密度的确定
气体的状态方程为：

推导可得到某压力和温度下的密度公式为：

2.1.3.4流速的确定
经济流速公式：

2.2管道工艺计算（直径、壁厚）
2.2.1第一段管
2.2.1.1第一段管径的确定

6
由进气管道直径公式： (2.4)
可得：
2.2.1.2根据参数确定管道壁厚
进气管壁厚度公式：
(2.5)
P——管线的设计工作压力，；
d——管线内径，；
——焊缝系数，无缝钢管，直缝管和螺旋焊缝钢管=1，螺旋埋弧焊钢管 =0.9；
——钢材屈服极限，，见表2.4；
F——设计系数，见表2.5；
C——腐蚀余量，当所输油，气中不含腐蚀性物质时C=0；当油气中含有腐蚀 性物质时可取C=0.5--1。
表2.4 常见钢管材质屈服极限
钢管
材质
优质碳素钢
碳素钢
A3F
低合金钢16Mn
APIS.5L
10
20
X52
X60
X65
X70

205
245
235
353
358
413
448
482

表2.5 设计系数F取值
管线
工作环境
野外地区
居住区、油气田站场内部、穿跨越铁路、公路、小河渠（常年枯水面宽<20m）
输油管线
0.72
0.60
输气管线
0.60
0.50
取优质碳素钢20#的245Mpa，F取0.5，C取0.5mm，取无缝钢管=1；
得出：

油气集输工程课程设计 计算说明书

2.2.2第二段管
2.2.2.1第二段管径的确定
由进气管道直径公式：
可得：
2.2.2.2根据参数确定管道壁厚
进气管壁厚度公式：

P——管线的设计工作压力，；
d——管线内径，；
——焊缝系数，无缝钢管，直缝管和螺旋焊缝钢管=1，螺旋埋弧焊钢管=0.9；
——钢材屈服极限，，见表2.4；
F——设计系数，见表2.5；
C——腐蚀余量，当所输油，气中不含腐蚀性物质时C=0；当油气中含有腐蚀 性物质时可取C=0.5--1。
再根据表2.4、表2.5，取优质碳素钢20#的245Mpa，F取0.5，C取0.5mm， 取无缝钢管=1；
得出：

2.2.3第三段管
2.2.3.1管径的确定
由进气管道直径公式：
可得：
2.2.3.2根据参数确定管道壁厚
进气管壁厚度公式：

P——管线的设计工作压力，；
d——管线内径，；
——焊缝系数，无缝钢管，直缝管和螺旋焊缝钢管=1，螺旋埋弧焊钢管=0.9；
——钢材屈服极限，，见表2.4；
F——设计系数，见表2.5；
C——腐蚀余量，当所输油，气中不含腐蚀性物质时C=0；当油气中含有腐蚀性物质时可取C=0.5--1。
再根据表2.4、表2.5，取优质碳素钢20#的245Mpa，F取0.5，C取0.5mm， 取无缝钢管=1；
得出：

9
油气集输工程课程设计 管道的选型结果

3 管道的选型结果

3.1管道参考参数
参照表3.1、表3.2的参数进行管型选择。
表3.1 最小管壁厚度（mm）
钢管公称直径
最小壁厚
钢管公称直径
最小壁厚
100、150
2.5
600、650、700
6.5
200
3.5
750、800、850、900
6.5
250
4.0
950、1000
8.0
300
4.5
1050、1100、1150、1200
9.0
350、400、450
5.0
1300、1400
11.5
500、550
6.0
1500、1600
13.0

表3.2 管道内径选用范围（mm）
钢管
铸铁管
公称直径
内径d
计算内径dj1
计算内径dj2
内径d
计算内径dj1
15
15.75
14.75
13.25
50
49
20
21.25
20.25
18.75
75
74
25
27.00
26.00
24.50
100
99
32
35.75
34.75
33.25
125
124
40
41.00
40.00
38.50
150
149
50
53.00
52.00
50.00
200
199
70
68.00
67.00
65.00
250
249
80
80.00
79.00
77.00

100
106.00
105.00
103.00

125
131.00
130.00
127.00

150
156.00
155.00
152.00

175
174.00
173.00
174.00

200
199.00
198.00
195.00

225
224.00
223.00
220.00

250
253.00
252.00
249.00

275
279.00
278.00
275.00

3.2管道选型结果
3.2.1第一段管道
管道的管径及壁厚：
选
3.2.2第二段管道
管道的的管径及壁厚：
选
3.2.3第三段管道
管道的管径及壁厚：
选

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4 结束语

本文根据课程设计任务书的要求，进行某单井站场的工艺设计中的站内配管设计，其中包括站内管径及壁厚的设计。通过气井产量、进站压力、以及进站温度等数据，对管道的管径和壁厚进行计算，并根据计算结果对设备进行选型。
在这次为期两周的课程设计中，我们首先通过讨论初步确定总工艺流程，然后与每个组的同学交流，配管设计会涉及的节流阀或分离器计算结果，最后结合其他组员计算结果，以及基础参数最后完成自己的课程设计报告。
每一个步骤，我们都学到很多东西，本次课程设计使我基本掌握了如何进行工艺管道设计，以及管道设计与工艺设计中其他部分设计的关联。在这次设计过程中，体现出自己综合运用知识的能力，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。
两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。
在此感谢我们的指导老师。老师的细心指导，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。同时感谢同组的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。

参考文献

[1]梁平，王天祥．天然气集输技术M．北京：石油工业出版社．2008．5（1）；
[2]《油田油气集输设计技术手册》编写组．油田油气集输设计技术手册M．北京：石油工业出版社．1994．12；
[3]《油气集输设计规范》. GB50350-2005油气集输设计规范S.中国石油天然气集团公司。