同溝敷設(shè)中油氣管道的強(qiáng)度分析

張雪夫

（中石化浙江石油分公司，浙江杭州 310009）

近年來，隨著西氣東輸管道工程的建成、沿海地區(qū)LNG的引進(jìn)、成品油管道等工程的實(shí)施，浙江省油氣管道建設(shè)迎來了一個(gè)高潮，目前已建成成品油約1 500 km和天然氣管道2 000余km，在建油氣管道仍有諸多條，多條管道向浙江內(nèi)部腹地幅射以及成品油、天然氣管道跨省大通道的貫通，這就不可避免地在一些地區(qū)有多種管道通過。浙江位于長江三角洲地區(qū)，管道沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集、用地緊張，兩條或多條管道并行或同溝敷設(shè)因其開挖面積少，節(jié)約土地和利于投資等客觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，越來越受到政府和企業(yè)的關(guān)注。目前國內(nèi)外尚無同溝敷設(shè)管道的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因此如何處理各種管道同溝敷設(shè)對管道強(qiáng)度要求的問題顯得尤為突出。本文目的在于對這一問題加以初步探討。

1 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對油氣敷設(shè)的距離要求

我國油氣管道的設(shè)計(jì)是執(zhí)行《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50253和《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50251的標(biāo)準(zhǔn)，而這兩個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)對埋地管道與其他用途的埋地管道平行敷設(shè)的間距均要求符合《鋼管管道及儲(chǔ)罐腐蝕控制工程設(shè)計(jì)規(guī)范》SY007中防腐的相關(guān)規(guī)定，考慮2條管道平行敷設(shè)或同溝敷設(shè)的間距，主要采用控制點(diǎn)法來保護(hù)電流密度，以避免相互干擾造成腐蝕。一般在不采取聯(lián)合保護(hù)時(shí)，保持10 m間距即不會(huì)產(chǎn)生相互影響。若不能滿足10 m間距，則采用加強(qiáng)防腐保護(hù)層來彌補(bǔ)，使陰極電流的密度降低到能夠接受的程度。

美國聯(lián)邦法規(guī)49CFR192章《管道安全法 天然氣部分》第192.325條地下間距（a）安裝的每條輸氣管道與任何與本輸氣管道無關(guān)的地下構(gòu)筑物之間的間距，必須至少305 mm。如果無法實(shí)現(xiàn)這一間距，則必須對輸氣管道加以保護(hù)，避免因靠近其他結(jié)構(gòu)物可能給管道造成的損壞。

美國的規(guī)范主要強(qiáng)調(diào)對油氣管道自身安全性，既是要考慮與其他管道或地下構(gòu)筑物間距的要求，也是從方便安裝的角度出發(fā)，保證管道自身安裝、維保和管理的需要。

油氣管道同溝敷設(shè)時(shí)，應(yīng)考慮管道本質(zhì)安全、管道間熱力影響、管道間陰極保護(hù)干擾以及管道施工與維搶修等因素。而這些因素的安全性，都與管道的壁厚有著關(guān)聯(lián)。為此，計(jì)算和選擇管道壁厚就變得尤為重要。

2 同溝敷設(shè)的油氣管道壁厚計(jì)算與應(yīng)用

同溝敷設(shè)管道，或相鄰的2條、多條管道運(yùn)行中，如果其中1條管道發(fā)生爆炸或燃燒事故，可能會(huì)產(chǎn)生沖擊波或熱力輻射，影響或危及其他管道的安全。此類管道事故的避免措施，與不同國家的管道安全理念有關(guān)。俄羅斯等國家以距離為安全理念設(shè)計(jì)管道，采用極限狀態(tài)法計(jì)算管道壁厚，較大限度地發(fā)揮了管材強(qiáng)度潛能，達(dá)到節(jié)省鋼材的目的。而我國與歐美國家則以強(qiáng)度為安全理念設(shè)計(jì)管道，采用許用應(yīng)力法計(jì)算管道壁厚，服役時(shí)管道的應(yīng)力以屈服強(qiáng)度乘以設(shè)計(jì)系數(shù)來控制，其自身極限強(qiáng)度小很多，在材料安全裕量上可做到防患事故于未然，因此在歐美國家的相關(guān)規(guī)范中并未提及管道間的距離要求。

油氣管道同溝敷設(shè)，可以節(jié)省大量管道建設(shè)的時(shí)間和費(fèi)用。而同溝敷設(shè)管道設(shè)計(jì)和運(yùn)行中需要把握的最關(guān)鍵問題之一是采用提高管道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)的方法來保證安全性，而管道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)主要取決于管道的壁厚。據(jù)統(tǒng)計(jì)，管道的年公里事故率隨著管道的壁厚增加而下降，管道的腐蝕及人力破壞等也是隨著管道的壁厚增加而安全性增加，只有準(zhǔn)確掌握管道的壁厚，才能使管道安全運(yùn)行。

（一）輸油管道直管段的鋼管管壁厚度應(yīng)按下式計(jì)算:

式中：δ—直管段鋼管計(jì)算壁厚(mm)；

P—設(shè)計(jì)內(nèi)壓力(MPa)；

D—鋼管外直徑(mm)；

[σ]—鋼管許用應(yīng)力(MPa)。

輸油管道直管段的許用應(yīng)力應(yīng)符合下列規(guī)定:

許用應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算:

式中 [σ]—許用應(yīng)力（MPa）；

K—設(shè)計(jì)系數(shù)，輸送C5及C5以上的液體管道除穿跨越管段按國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《原油和天然氣輸送管道穿跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（SY/T 0015）的規(guī)定取值外。輸油站外一般地段取0.72；輸送液態(tài)液化石油氣（LPG)管道設(shè)計(jì)系數(shù)取值，見本規(guī)范附錄E；

σs—鋼管的最低屈服強(qiáng)度，應(yīng)按表1的規(guī)定取值；

Φ—焊縫系數(shù)。

由上述可見，壁厚與設(shè)計(jì)系數(shù)K成反比。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，富余量及安全系數(shù)主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)系數(shù)K上：輸油站外一般地段取0．72，如果提高同溝敷設(shè)的管路安全，取值可按一般穿越等級(jí)提高管道強(qiáng)度，一般取 0．6。

表1 鋼管的最低屈服強(qiáng)度和焊縫系數(shù)（SY/T 0015）Tab．1 The minimum yield strength and weld coefficient table of 5．2．1 steel tube

（二）應(yīng)用實(shí)例：某長輸管道，根據(jù)實(shí)際工況采用了變徑設(shè)計(jì)，首站—中途分輸站普通段采用Φ508L415螺旋縫埋弧焊鋼管，穿跨越段選用Φ508L415直縫埋弧焊鋼管，設(shè)計(jì)壓力8．5 MPa；中途分輸站—末站普通段選用Φ457L415螺旋縫埋弧焊鋼管，穿跨越段選用Φ457L415直縫埋弧焊鋼管，設(shè)計(jì)壓力9．5 MPa。沿線各分輸站場進(jìn)站管徑分別為Φ457和Φ250，進(jìn)站壓力與所在段長輸管線參數(shù)一致。計(jì)算并選取不同管徑下普通段和穿跨越段及站場內(nèi)鋼管壁厚。

根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50251-2003）表4.2.3和表4.2.4，選取線路普通段設(shè)計(jì)系數(shù)K=0.72，穿跨越段設(shè)計(jì)系數(shù)K=0.6。

根據(jù)《鋼制壓力容器》（GB150）和現(xiàn)行美國標(biāo)準(zhǔn)《工藝管線》（ASME B31.3）整理出的常用鋼號(hào)和對應(yīng)鋼級(jí)的基本許用應(yīng)力見下表。

根據(jù)鋼管選用材質(zhì)L415，其最低屈服強(qiáng)度σs=415 MPa。

表2 鋼的基本號(hào)表Tab.2 Basie parameters of steel sheeta

(1)首站—中途分輸站普通管段：

壁厚δ選取公稱壁厚7.9 mm；

(2)首站—中途分輸站穿跨越管段：

壁厚δ選取公稱壁厚9.5 mm；

(3)中途分輸站—末站普通管段：

壁厚δ選取公稱壁厚7.9 mm；

(4)中途分輸站—末站穿跨越管段：

壁厚δ選取公稱壁厚9.5 mm。

又根據(jù)GB50251-2003中表5.1.3規(guī)定，Φ450和Φ500的最小壁厚分別為5.0 mm和6.0 mm，以上計(jì)算結(jié)果均符合要求。

2.根據(jù)站內(nèi)管線材質(zhì)常選用要求：DN≥250的鋼管主要選用L360、L320兩種鋼級(jí)，DN＜250的鋼管采用L320、L245材質(zhì)。該長輸管線的進(jìn)入站場段管徑分別為Φ508和Φ457，均符合DN≥250，查表得L360、L320 材質(zhì)的鋼管許用應(yīng)力[σ]分別為 152 MPa、145 MPa。

壁厚δ選取公稱壁厚9.5 mm。

3 保證油氣管道同溝敷設(shè)的安全有效性建議

從前面的計(jì)算與分析可知，油氣管道的設(shè)計(jì)應(yīng)執(zhí)行《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50253和《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50251的要求，在有條件的地段保持合理間距，才能既符合規(guī)范要求，也不會(huì)被施工順序的先后影響。若兩條管道受地形、地物以及已建的建構(gòu)筑物等限制，如果能以強(qiáng)度為安全理念設(shè)計(jì)，按規(guī)范采取更為可靠的增加管道管壁厚度等措施后同溝敷設(shè)[5]，也能滿足安全要求。

同溝敷設(shè)的油氣管道應(yīng)保持一個(gè)保障焊接、吊裝、下溝等作業(yè)的最小距離。《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50253第4.1.9條規(guī)定，同溝敷設(shè)最小凈距不應(yīng)小于0.5 m。同時(shí)為考慮安全裕量，應(yīng)提高一個(gè)地區(qū)等級(jí)的設(shè)計(jì)系數(shù)計(jì)算管壁厚度，選擇與確定管道的管壁厚度時(shí)，還要對各種載荷條件進(jìn)行校核，并優(yōu)選壁厚；控制制造與施工質(zhì)量。如果鋼管在制造過程中嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，減少甚至消除缺陷，達(dá)到鋼管技術(shù)條件要求，那么管道發(fā)生斷裂的可能性就會(huì)變得很小，如果施工把好防腐關(guān)與組對焊接關(guān)，管道發(fā)生腐蝕穿孔或應(yīng)力腐蝕開裂的可能性也會(huì)變小。

同溝敷設(shè)的油氣管道竣工投產(chǎn)運(yùn)行后，應(yīng)加強(qiáng)管理監(jiān)測，防止管道的覆蓋層、水工水土保護(hù)措施遭受破壞投產(chǎn)時(shí)而發(fā)生安全事故。總之，通過增加管道管壁厚度等一些安全措施，本文認(rèn)為油氣管道同溝敷設(shè)在安全上是可行的。

[1]中國石油天然氣集團(tuán)公司.GB50253-2003輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2007.

[2]油氣田及管道建設(shè)設(shè)計(jì)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).GB50251-2003輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2003.

[3]中國石油天然氣集團(tuán)公司.GB50423-2007油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2008.

[4]解立功,張懷法,武惠永,等.油氣管道同溝敷設(shè)應(yīng)注意的問題[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2010,29(5):369-370.

[5]中國石油天然氣公司.GB50369-2006油氣長輸管道工程施工與驗(yàn)收規(guī)范.北京:中國計(jì)劃出版社,2006.