輸氣管道調(diào)壓系統(tǒng)壓力參數(shù)設(shè)置探討

李廣群 孫立剛 李佳

中國(guó)石油管道局工程有限公司設(shè)計(jì)分公司

近年來(lái)，隨著天然氣應(yīng)用的普及和推廣，天然氣管道在我國(guó)快速發(fā)展，長(zhǎng)輸天然氣管道總里程已經(jīng)超過(guò)7×104km，輸氣首站和分輸站是天然氣管道建設(shè)中的重要組成部分，調(diào)壓系統(tǒng)是輸氣首站和分輸站的關(guān)鍵工藝設(shè)施，是確保輸氣干線和分輸支線安全、平穩(wěn)、連續(xù)運(yùn)行的重要保證。調(diào)壓系統(tǒng)在工藝所需的安全范圍之內(nèi)，能夠確保管道下游不超過(guò)允許的最大操作壓力，調(diào)壓系統(tǒng)的壓力參數(shù)設(shè)置方案直接影響輸氣干線和分輸支線管道的壓力等級(jí)選取和管徑設(shè)計(jì)的合理性，影響管道的投資和管道輸送能力的充分發(fā)揮。因此明確調(diào)壓系統(tǒng)的具體壓力參數(shù)設(shè)置方案是十分必要的。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸天然氣管道設(shè)計(jì)的主要規(guī)范依據(jù)為GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，根據(jù)GB 50251—2015中的8.4.3款的要求，當(dāng)壓力控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障危及下游供氣設(shè)施安全時(shí)，應(yīng)設(shè)置可靠的壓力安全裝置。

壓力安全裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列規(guī)定：

（1）當(dāng)上游最大操作壓力大于下游最大操作壓力時(shí)，氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置單個(gè)的（第一級(jí)）壓力安全設(shè)備。

（2）當(dāng)上游最大操作壓力大于下游最大操作壓力1.6 MPa以上，以及上游最大操作壓力大于下游管道和設(shè)備強(qiáng)度試驗(yàn)壓力時(shí)，單個(gè)（第一級(jí)）壓力安全設(shè)備還應(yīng)加上第2個(gè)安全設(shè)備。此時(shí)可選擇下列措施之一：①每一回路串聯(lián)安裝2臺(tái)安全截?cái)嘣O(shè)備，安全截?cái)嘣O(shè)備應(yīng)具備快速關(guān)閉能力并提供可靠截?cái)嗝芊?；②每一回路安裝1臺(tái)安全截?cái)嘣O(shè)備和1臺(tái)附加的壓力調(diào)節(jié)控制設(shè)備；③每一回路安裝1臺(tái)安全截?cái)嘣O(shè)備和1臺(tái)最大流量安全泄放設(shè)備。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)干線和支線輸氣管道的設(shè)計(jì)壓力等級(jí)劃分，一般干線壓力等級(jí)為12或10 MPa，支線壓力等級(jí)為6.3或4 MPa，長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)壓力安全裝置一般都采用“緊急切斷閥+2臺(tái)調(diào)壓閥”的設(shè)置方式，為了能夠控制分輸支線的最大分輸流量，2臺(tái)調(diào)壓閥多采用“1臺(tái)電動(dòng)調(diào)壓閥+1臺(tái)自力式調(diào)壓閥”的設(shè)置方式。這種設(shè)置方式既能夠有效防止支線分輸超量使干線能正常輸送，也具有限流的功能，目前已成為國(guó)內(nèi)輸氣管道普遍采用的分輸站調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)置方式。

根據(jù)規(guī)范的要求，調(diào)壓裝置的設(shè)置方式基本明確，關(guān)于安全切斷閥和2臺(tái)調(diào)壓閥的具體壓力設(shè)置值規(guī)范沒(méi)有給出明確的要求。同樣是設(shè)計(jì)壓力為6.3 MPa的管道，不同工程由于上游分輸站的調(diào)壓系統(tǒng)壓力設(shè)定值不同，導(dǎo)致其最大工作壓力大小不一，設(shè)定值較小的管道，極大地限制了下游輸氣管道的輸送能力，是資源的巨大浪費(fèi)。表1匯總了目前國(guó)內(nèi)已建幾條設(shè)計(jì)壓力6.3 MPa的支線管道其上游分輸站調(diào)壓系統(tǒng)壓力設(shè)定值。

在石油和化工工程設(shè)計(jì)工作手冊(cè)第五冊(cè)《輸氣管道工程設(shè)計(jì)》[2]中給出了參考依據(jù)，即歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12816—2014《Gas infrastructure—Gas pressure regulating stations for transmission and distribution—Functional requirements》[3]，其中要求 “緊急切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓閥壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)均獨(dú)立設(shè)在工作調(diào)壓閥下游壓力檢測(cè)點(diǎn)的同一位置，緊急切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓閥、工作調(diào)壓閥的壓力設(shè)定值關(guān)系為：緊急切斷閥>監(jiān)控調(diào)壓閥>工作調(diào)壓閥”。在EN 12816—2014標(biāo)準(zhǔn)中，給出了不同最大操作壓力(M OP)條件下，工作調(diào)壓閥、監(jiān)控調(diào)壓閥、緊急切斷閥的壓力高限設(shè)定值（表2）。

表1 已建6.3 MPa管道上游分輸站調(diào)壓系統(tǒng)壓力設(shè)定值Tab.1 Pressure set value of pressure regulation system in pstream distribution station ofexisting 6.3 MPapressurepipeline MPa

表2 在EN 12816—2014標(biāo)準(zhǔn)中調(diào)壓閥和緊急切斷閥的壓力高限設(shè)定值Tab.2 Pressure upper limit set value of pressure regulating valve and emergency shutdown valve in Standard DN12816—2014 MPa

這樣依據(jù)EN 12816—2014的規(guī)定，可以很容易確定調(diào)壓系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)壓力參數(shù)設(shè)定值。如果我們也采用EN 12816—2014的設(shè)定值則需要給出充分的論證依據(jù)。

分輸站壓力控制系統(tǒng)首先應(yīng)該保證下游分輸支線管道的安全，其次要為下游管道提供適用的供氣壓力。EN 12816—2014是專(zhuān)門(mén)針對(duì)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)調(diào)壓站設(shè)計(jì)的專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)，和其配套使用的線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為 ISO 13623—2007[4]，根據(jù) EN 12816—2014的要求設(shè)計(jì)和設(shè)置的調(diào)壓系統(tǒng)能夠保證按照ISO13623—2007設(shè)計(jì)的管道的安全。國(guó)內(nèi)輸氣管道采用的設(shè)計(jì)規(guī)范是GB 50251—2015，GB 50251—2015在管道線路設(shè)計(jì)上的部分要求參考了美國(guó)API標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.8—2014的規(guī)定[5]，尤其是在線路地區(qū)等級(jí)劃分、管道設(shè)計(jì)系數(shù)的選取和鋼管壁厚計(jì)算公式等相關(guān)的部分，設(shè)計(jì)要求基本是相同的[6-7]。

因此采用類(lèi)比推理的方法，對(duì)比ISO 13623—2007與GB 50251—2015兩類(lèi)規(guī)范關(guān)于管道安全的“線路地區(qū)等級(jí)的劃分、管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)的選取、管道壁厚計(jì)算公式、管道強(qiáng)度試驗(yàn)壓力”等相關(guān)內(nèi)容的差異，推斷出依據(jù)GB 50251—2015設(shè)計(jì)的調(diào)壓站可以采用EN 12816—2014的調(diào)壓系統(tǒng)壓力參數(shù)設(shè)定值。

2 兩種標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)比推理分析

2.1 線路地區(qū)等級(jí)的劃分

ISO 13623—2007在標(biāo)準(zhǔn)的附錄B中對(duì)于輸送天然氣和液化天然氣類(lèi)流體的陸上管道公共安全進(jìn)行了補(bǔ)充要求，其中包括對(duì)于地區(qū)等級(jí)的劃分，附錄B中對(duì)于管道沿線地區(qū)等級(jí)的劃分基準(zhǔn)明確了與人口密度和人員的集中度有關(guān)；以管道中心兩側(cè)各200 m，任意劃分長(zhǎng)度為1.5 km的區(qū)段，并以每平方公里的人口數(shù)量為界限劃分了不同的地區(qū)類(lèi)別，共劃分了5個(gè)地區(qū)類(lèi)別。

GB 50251—2015在第4.2章中對(duì)于輸氣管道線路地區(qū)等級(jí)的劃分進(jìn)行了明確規(guī)定，以居民戶數(shù)和建筑物的數(shù)量作為管道沿線地區(qū)等級(jí)的劃分基準(zhǔn)，以管道中心兩側(cè)各200 m，任意劃分長(zhǎng)度為2 km的區(qū)段，并以居民戶數(shù)數(shù)量以及建筑等級(jí)為界限劃分了不同的地區(qū)類(lèi)別，共劃分了四級(jí)地區(qū)類(lèi)別。兩種標(biāo)準(zhǔn)地區(qū)等級(jí)劃分以及對(duì)比見(jiàn)表3。

兩種標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于地區(qū)等級(jí)劃分的標(biāo)準(zhǔn)基本一致，只是在地區(qū)劃分的居民戶數(shù)和人數(shù)上有所區(qū)別。以二級(jí)（3類(lèi)）地區(qū)為例，ISO 13623—2007的規(guī)定是50～250 人/km2，GB 50251—2015 的規(guī)定是 15～100戶/km2，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求基本相當(dāng)，ISO 13623—2007比GB 50251—2015要求稍微嚴(yán)格一些。

2.2 管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)的選取

對(duì)于輸氣管道而言，輸氣線路地區(qū)等級(jí)確定后，管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)的確定是關(guān)系到不同地區(qū)等級(jí)安全類(lèi)別的關(guān)鍵因素[8-10]，從表4兩種標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)對(duì)比可以看出，同級(jí)地區(qū)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)GB 50251—2015比ISO 13623—2007的數(shù)值要小，也就是說(shuō)同地區(qū)等級(jí)，GB 50251—2015比ISO 13623—2007更安全。

表4 強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)對(duì)比Tab.4 Comparison of strength design coefficient

2.3 管道壁厚計(jì)算公式

2.3.1 ISO 13623—2007標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算公式

在ISO 13623—2007標(biāo)準(zhǔn)第6.4章節(jié)中明確了流體管道的環(huán)向應(yīng)力計(jì)算公式，該公式考慮了管道外部的靜水壓力，不考慮埋地管道土壓力的影響，該公式為

式中： σhp為管道環(huán)向應(yīng)力，MPa； pid為設(shè)計(jì)壓力，MPa； pOD為管道外部最小靜水壓力（不考慮埋地管道的土壓力），MPa； DO為管道外徑，mm；tmin為管道最小壁厚，mm。

管道環(huán)向應(yīng)力與鋼管材質(zhì)最小屈服強(qiáng)度的關(guān)系[11-13]為

表3 地區(qū)等級(jí)劃分對(duì)比Tab.3 Comparison of location classification

式中：Fh為地區(qū)等級(jí)強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)；σb為鋼管標(biāo)準(zhǔn)最小屈服強(qiáng)度，MPa。

整合公式（1）和公式（2）得出

如果忽略管道外部靜水壓力的影響，則公式（3）可以簡(jiǎn)化為

在ISO 13623—2007標(biāo)準(zhǔn)中簡(jiǎn)化環(huán)向應(yīng)力計(jì)算公式（4），可以推出直管段最小壁厚計(jì)算公式為

2.3.2 GB 50251—2015標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算公式

在GB 50251—2015標(biāo)準(zhǔn)中直接給出了輸氣管道直管段壁厚計(jì)算公式

式中： δ為鋼管設(shè)計(jì)壁厚，mm； p為設(shè)計(jì)壓力，MPa；D為鋼管外徑，mm； σs為鋼管的最小屈服強(qiáng)度，MPa；φ為鋼管焊縫系數(shù)，取1.0；F為強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)；t為溫度折減系數(shù)，當(dāng)溫度小于120℃，t值應(yīng)取1.0。

如果忽略溫度折減和焊縫系數(shù)的影響，GB 50251—2015標(biāo)準(zhǔn)中直管段壁厚計(jì)算公式簡(jiǎn)化為

2.3.3 壁厚計(jì)算對(duì)比

管道鋼材采用X70（L485）材質(zhì)，以設(shè)計(jì)壓力10 MPa、管徑D=1 016 mm為例計(jì)算兩種標(biāo)準(zhǔn)下不同地區(qū)類(lèi)別的實(shí)際直管段壁厚，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。從壁厚計(jì)算對(duì)比可以看出，在相同設(shè)計(jì)壓力、同管徑、同材質(zhì)的情況下，由GB 50251—2015標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的壁厚要比由ISO 13623—2007標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的直管段壁厚數(shù)值更大，也就是說(shuō)GB 50251—2015更趨于安全。

表5 設(shè)計(jì)壓力為10 MPa、管徑為1 016 mm在不同地區(qū)等級(jí)時(shí)兩種標(biāo)準(zhǔn)的管道壁厚計(jì)算對(duì)比Tab.5 Calculation and comparison of wall thickness of two kinds of standard in different location classification when design pressure is 10 MPa and pipe diameter is 1 016 mm mm

2.4 管道強(qiáng)度試驗(yàn)壓力

管道強(qiáng)度試驗(yàn)壓力是驗(yàn)證和衡量管道強(qiáng)度性能的重要指標(biāo)，表6列出了ISO 13623—2007與GB 50251—2015兩種標(biāo)準(zhǔn)中的管道強(qiáng)度試驗(yàn)壓力的取值，在ISO 13623—2007中最大操作壓力表示為MOP，在GB 50251—2015中設(shè)計(jì)壓力表示為DP。從表6的對(duì)比中可以看出，由于MOP≤DP，因此在一級(jí)和二級(jí)地區(qū)GB 50251—2015與ISO 13623—2007的強(qiáng)度試驗(yàn)壓力基本一致，在三級(jí)和四級(jí)地區(qū)GB 50251—2015要比 ISO 13623—2007的4類(lèi)和5類(lèi)強(qiáng)度試驗(yàn)壓力高，也就是說(shuō)GB 50251—2015更趨于安全。

表6 兩種標(biāo)準(zhǔn)管道強(qiáng)度試驗(yàn)壓力對(duì)比Tab.6 Comparison of strength test pressure of two kinds of standard MPa

2.5 對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)GB 50251—2015和ISO 13623—2007兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)等級(jí)的劃分、管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)的選取、管道壁厚計(jì)算公式、管道強(qiáng)度試驗(yàn)壓力等4個(gè)方面的分析可知，GB 50251—2015與ISO 13623—2007在地區(qū)等級(jí)劃分上基本一致，在強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)選取、管道壁厚計(jì)算和強(qiáng)度試驗(yàn)壓力方面GB 50251—2015比ISO 13623—2007要求更嚴(yán)、更安全。因此可以類(lèi)推出能適用于ISO 13623—2007線路設(shè)計(jì)的站場(chǎng)調(diào)壓系統(tǒng)壓力參數(shù)設(shè)置模式，應(yīng)用于GB 50251—2015設(shè)計(jì)的管道是完全可行的?？紤]到長(zhǎng)輸天然氣管道設(shè)計(jì)壓力一般不會(huì)低于4 MPa，因此不再探討低于4 MPa的管道調(diào)壓系統(tǒng)壓力參數(shù)設(shè)定值，參考表2中的設(shè)定值可以得出工作調(diào)壓閥、監(jiān)控調(diào)壓閥、緊急切斷閥的設(shè)定值高限：工作調(diào)壓閥設(shè)定值 ≤1.025MOP、監(jiān)控調(diào)壓閥設(shè)定值≤1.1MOP、緊急切斷閥設(shè)定值 ≤1.15MOP。

在EN 12816—2014標(biāo)準(zhǔn)中還明確“當(dāng)MOP小于設(shè)計(jì)壓力DP時(shí)，可以以設(shè)計(jì)壓力DP替代MOP為基準(zhǔn)確定壓力設(shè)定值”，鑒于國(guó)內(nèi)習(xí)慣使用設(shè)計(jì)壓力因素，因此工作調(diào)壓閥、監(jiān)控調(diào)壓閥和緊急切斷閥的設(shè)定值高限可以轉(zhuǎn)換為：工作調(diào)壓閥設(shè)定值≤1.025DP、監(jiān)控調(diào)壓閥設(shè)定值 ≤1.1DP、緊急切斷閥設(shè)定值 ≤1.15DP。由此可以計(jì)算出各常用設(shè)計(jì)壓力等級(jí)時(shí)，調(diào)壓閥、緊急切斷閥的設(shè)定值高限（表7）。

表7 采用常用設(shè)計(jì)壓力時(shí)調(diào)壓閥、緊急切斷閥的設(shè)定值Tab.7 Set value of pressure regulating valve and emergency shutdown valve in commonly used design pressure MPa

出于安全的考慮，由于國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，依據(jù)ASME B31.8—2014的要求“當(dāng)管道內(nèi)壓引起的管道環(huán)向應(yīng)力低于管道鋼材最小屈服強(qiáng)度的72%時(shí)，管道的最大允許工作壓力可以提高10%”，這樣可以將監(jiān)控調(diào)壓閥和緊急切斷閥設(shè)定值下調(diào)，調(diào)整為1.05倍和1.1倍的DP，將工作調(diào)壓閥的設(shè)定值調(diào)整為1.0DP。優(yōu)化后工作調(diào)壓閥、監(jiān)控調(diào)壓閥、緊急切斷閥的設(shè)定值為：工作調(diào)壓閥設(shè)定值≤DP，監(jiān)控調(diào)壓閥設(shè)定值 ≤1.05DP，緊急切斷閥設(shè)定值 ≤1.1DP。經(jīng)優(yōu)化后常用設(shè)計(jì)壓力等級(jí)條件下調(diào)壓閥、緊急切斷閥的設(shè)定值高限見(jiàn)表8。鑒于目前油氣管道通常應(yīng)用的壓力變送器均采用0.075級(jí)，測(cè)量偏差為±0.075%，誤差很小，因此由于測(cè)量引起的壓力正偏差可以忽略不計(jì)。

表8 優(yōu)化后調(diào)壓閥、緊急切斷閥的設(shè)定值Tab.8 Set value of pressure regulating valve and emergency shutdown valve after optimization MPa

另外，在ASME B31.8—2014中還給出了管道安全邊際的要求，即“管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力不能超過(guò)鋼材最小屈服強(qiáng)度的75%”，由于GB 50251—2015對(duì)管道線路設(shè)計(jì)的要求大部分參考了美國(guó)API標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.8—2014的內(nèi)容，因此可以引用此條款作為GB 50251—2015核定調(diào)壓站壓力設(shè)定的安全邊際，主要是核算管道線路一級(jí)地區(qū)，在管道內(nèi)壓作用下（最大1.1MOP）管道任何位置的環(huán)向應(yīng)力均不應(yīng)超過(guò)鋼材最小屈服強(qiáng)度的75%，如果超過(guò)了就要考慮提高該段管道的設(shè)計(jì)系數(shù)（換管）或降低該段管道的最大操作壓力，使之滿足不超過(guò)鋼材最小屈服強(qiáng)度75%的要求。

3 結(jié)論

（1）依據(jù)GB 50251—2015設(shè)計(jì)的長(zhǎng)輸天然氣管道，其上游首站或分輸站的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力參數(shù)設(shè)定值可以按照：工作調(diào)壓閥設(shè)定值≤分輸站下游管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力DP、監(jiān)控調(diào)壓閥設(shè)定值≤1.05DP、緊急切斷閥設(shè)定值 ≤1.1DP的原則進(jìn)行壓力參數(shù)設(shè)置，但需保證緊急切斷閥設(shè)定值>監(jiān)控調(diào)壓閥設(shè)定值>工作調(diào)壓閥設(shè)定值。

（2）應(yīng)確保在管道內(nèi)壓作用下（最大1.1 MOP）管道沿線任何位置的管道環(huán)向應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)管道鋼材最小屈服強(qiáng)度的75%。

（3）按上述原則設(shè)置的首站或分輸站的調(diào)壓系統(tǒng)既能充分發(fā)揮和利用下游管道的設(shè)計(jì)壓力潛能，提供最大的供氣壓力，從而選取合適的管徑，降低工程投資，同時(shí)又可確保管道安全、平穩(wěn)、可靠地運(yùn)行。

（4）分輸站壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力設(shè)置也適用于管道壓氣站的出站壓力的設(shè)置，設(shè)計(jì)壓力為10 MPa的多壓氣站輸氣管道，完全可以在10 MPa最大工作壓力下平穩(wěn)運(yùn)行。上述分析的管道為新建管道工程，對(duì)于運(yùn)行一定周期的管道，應(yīng)進(jìn)行管道內(nèi)腐蝕檢測(cè)和評(píng)價(jià)，先確定最大工作壓力后再確定相應(yīng)的設(shè)定參數(shù)。