采用澳標(biāo)進(jìn)行油氣管道線路設(shè)計(jì)的探討

何祖祥，李春鋒，王洪波，楊建中

中國(guó)石油管道局工程有限公司 設(shè)計(jì)分公司（河北廊坊065000）

0 引言

澳洲地區(qū)天然氣資源豐富，該地區(qū)油氣管道項(xiàng)目逐步成為中方市場(chǎng)開拓的一個(gè)重點(diǎn)，目前管道項(xiàng)目涵蓋的地區(qū)范圍主要包括澳大利亞、巴布亞、新幾內(nèi)亞等國(guó)家。澳洲油氣管道設(shè)計(jì)的實(shí)施，需要及時(shí)了解掌握當(dāng)?shù)爻Ｓ脴?biāo)準(zhǔn)規(guī)范及工程常用設(shè)計(jì)方法，澳標(biāo)從20世紀(jì)60年代起就開始進(jìn)行長(zhǎng)輸管道標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)，目前已趨于成熟。鑒于其地域性和適用范圍，國(guó)內(nèi)針對(duì)澳大利亞技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究偏少。

澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)《氣體和石油液體管道》AS 2885—2012系列主要包括：AS 2885.1—2012《設(shè)計(jì)和施工》、AS 2885.2—2012《焊接》、AS 2885.3—2012《運(yùn)營(yíng)和維護(hù)》、AS 2885.4—2012《海底管道系統(tǒng)》和AS 2885.5—2012《壓力試驗(yàn)》。結(jié)合澳洲、巴布亞、新幾內(nèi)亞境內(nèi)某長(zhǎng)輸油氣管道項(xiàng)目的可行性研究設(shè)計(jì)（Pre-FEED），探討其與常規(guī)線路設(shè)計(jì)方面的技術(shù)性差異。

1 地理信息系統(tǒng)（GIS）建立

在業(yè)主招標(biāo)文件的工作范圍中，提出要為管道項(xiàng)目建立GIS數(shù)據(jù)集，用于支持可行性研究設(shè)計(jì)階段開展路由選擇及線路設(shè)計(jì)等工作，并要求可行性研究設(shè)計(jì)結(jié)束后，把這些GIS數(shù)據(jù)移交給業(yè)主。這與常規(guī)做法有所不同，以往在可行性研究設(shè)計(jì)階段只把GIS作為一種輔助選線及分析的手段，并沒有系統(tǒng)全面地為單個(gè)項(xiàng)目建立獨(dú)立的數(shù)據(jù)集以及數(shù)據(jù)移交。

項(xiàng)目業(yè)主只能提供管道沿線1:20×104地形圖及部分喀斯特山區(qū)的LiDAR地形數(shù)據(jù)。為滿足招標(biāo)文件中提出的GIS要求，設(shè)計(jì)方結(jié)合自身積累和工程經(jīng)驗(yàn)，收集大量公共GIS數(shù)據(jù)，查閱多個(gè)國(guó)際組織網(wǎng)站,包括國(guó)際自然保護(hù)聯(lián)盟IUCN、聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署UNEP、聯(lián)合國(guó)科教文組織UNESCO、世界資源研究所WRI等；還包括多個(gè)國(guó)際基金專項(xiàng)研究網(wǎng)站，如全球火山計(jì)劃、世界保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)WDPA、斯坦福大學(xué)地理空間中心等，進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行補(bǔ)充，基本實(shí)現(xiàn)了管道所在區(qū)域多種基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)的全面覆蓋。

數(shù)據(jù)收集整理完成后，設(shè)計(jì)方對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將柵格地形圖、專題數(shù)據(jù)錄入ArcGIS軟件平臺(tái)中，建立該項(xiàng)目GIS數(shù)據(jù)集，開展桌面選線研究。然后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)研，結(jié)合踏勘的影像照片資料和環(huán)境保護(hù)敏感區(qū)、現(xiàn)有可依托道路以及業(yè)主在該區(qū)域的工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)線路進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。設(shè)計(jì)完成后把GIS數(shù)據(jù)集移交給業(yè)主，供業(yè)主下階段設(shè)計(jì)或運(yùn)營(yíng)管理時(shí)沿用。

2 地區(qū)等級(jí)差異

2.1 地區(qū)等級(jí)分類

對(duì)公共活動(dòng)較多的地段，目前輸氣管道設(shè)計(jì)采用的主要安全措施是增加管道壁厚，即增強(qiáng)管道抗外界破壞的應(yīng)力水平來維護(hù)管道自身的安全。采用這種方式為管道周圍的公眾、建構(gòu)筑物及其他設(shè)施提供安全保障。為了對(duì)公共活動(dòng)進(jìn)行量化，在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中引入了地區(qū)等級(jí)的概念，并對(duì)不同地區(qū)等級(jí)的區(qū)段定義了相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)系數(shù)，通過采取降低管道許用應(yīng)力的方法增加安全裕度。

澳標(biāo)中地區(qū)等級(jí)是按管道沿線土地利用類型來反映周圍事物對(duì)管道本身或來自管道的威脅。在人口密度大的地方，不僅會(huì)導(dǎo)致管道破壞的活動(dòng)水平增加，而且管道失效后的后果也將更嚴(yán)重。因此在人口較多的地區(qū)，公眾需要受更嚴(yán)格的保護(hù)以防止管道失效造成影響。澳標(biāo)中鋼管的壁厚設(shè)計(jì)、管道后期運(yùn)營(yíng)中所面臨的風(fēng)險(xiǎn)類型及級(jí)別等這些因素與地區(qū)等級(jí)的劃分有關(guān)。但是對(duì)不同的地區(qū)等級(jí)采用同一個(gè)設(shè)計(jì)系數(shù)（一般段管道設(shè)計(jì)系數(shù)不超過0.8即可），然后按各地區(qū)等級(jí)中管道可能遭受的不同風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)壁厚進(jìn)行核算，從而選取合適的鋼管壁厚。

AS 2885.1—2012中規(guī)定按管道全孔破裂泄漏著火點(diǎn)熱輻射能量值4.7 kW/m2所能影響到的距離，對(duì)管道沿線劃分地區(qū)等級(jí)，分主要地區(qū)等級(jí)（表1）和次要地區(qū)等級(jí)（表2）兩大類[1-2]，先劃分主要地區(qū)然后再劃分次要地區(qū)。

表1 主要地區(qū)等級(jí)劃分

表2 次要地區(qū)等級(jí)劃分

2.2 地區(qū)等級(jí)的量測(cè)距離差異

劃分地區(qū)等級(jí)之前，首先要明確量測(cè)范圍。我國(guó)輸氣管道國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（或美標(biāo)）中地區(qū)等級(jí)劃分依據(jù)為沿管線中心兩側(cè)各200 m（或美標(biāo)中1/8英里）范圍內(nèi)，任意劃分成長(zhǎng)度為2 km（或美標(biāo)中1.6 km，即1英里）并能包括的最大聚居戶數(shù)。澳標(biāo)中量測(cè)距離考慮的是輸氣管道在全孔破裂情況下熱輻射率不小于4.7 kW/m2的范圍，這種熱輻射強(qiáng)度可能會(huì)在短時(shí)間（不到1min）內(nèi)對(duì)影響范圍內(nèi)的公眾造成傷害，目的是確保管道設(shè)計(jì)和運(yùn)行中能夠識(shí)別災(zāi)難性故障所導(dǎo)致危害的程度。

熱輻射距離可以按照API 521—2014導(dǎo)則中的公式計(jì)算：

式中：D表示燃燒中心點(diǎn)到被考慮物體的最小距離，m；τ表示熱強(qiáng)度傳遞系數(shù)，取1.0；F表示熱輻射系數(shù)，取0.25（可根據(jù)工程情況適當(dāng)調(diào)整）；Q表示熱釋放量，kW（與管徑、壓力、釋放時(shí)間有關(guān)）；K表示允許的熱輻射率，取4.7 kW/m2。

管道破裂失效影響的因素，不僅取決于人口密度，還取決于量測(cè)距離，并與管徑大小和輸送參數(shù)有關(guān)。比如R2地區(qū)等級(jí)的大口徑管道周圍2×104m2的區(qū)域面積可能會(huì)比T1地區(qū)等級(jí)的小口徑管道面臨更大的風(fēng)險(xiǎn)，盡管后者的地區(qū)等級(jí)要高[3]。

量測(cè)距離也可以查找AS 2885.1—2012附錄Y中的圖形粗略確定，附錄Y圖表只是給出了幾類典型輸送參數(shù)下的工況，對(duì)圖表中沒有的工況，需按上述熱輻射距離公式進(jìn)行計(jì)算。一般量測(cè)距離的精確性意義不大，合理的距離估計(jì)就足夠（因?yàn)閹酌椎恼`差并不會(huì)對(duì)人們因熱量輻射所造成的傷害產(chǎn)生明顯影響）。同樣，公眾或建構(gòu)筑物超出量測(cè)范圍也并不意味著它們完全不受管道失效的影響。

3 管道壁厚計(jì)算差異

澳標(biāo)中設(shè)計(jì)系數(shù)不對(duì)應(yīng)地區(qū)等級(jí)，管道壁厚計(jì)算基于風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)，一般段設(shè)計(jì)系數(shù)不大于0.8。鋼管壁厚除了要承受管道內(nèi)壓外，還要考慮外界各種破壞風(fēng)險(xiǎn)以及材料本身的特性要求等。因此雖然不同地區(qū)等級(jí)對(duì)應(yīng)同一個(gè)設(shè)計(jì)系數(shù)，但是按環(huán)向應(yīng)力計(jì)算出的鋼管壁厚需要根據(jù)不同地區(qū)等級(jí)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)實(shí)施校核，以驗(yàn)證選用壁厚滿足不同的狀況。管道壁厚計(jì)算應(yīng)主要考慮的因素包括以下幾個(gè)方面[4]：

1）腐蝕余量和管道制造公差。若管材用的板卷符合API 5L標(biāo)準(zhǔn)，制造公差可不考慮，但是無縫鋼管應(yīng)考慮制造公差。

2）管道內(nèi)壓。根據(jù)設(shè)計(jì)壓力、管徑及鋼管許用應(yīng)力計(jì)算出的壁厚。

3）管道壁厚要滿足抗穿透能力。對(duì)T1和T2類等級(jí)的地區(qū)，因人口眾多，面臨第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)增加，壁厚應(yīng)能確保管道有一定的抗穿透能力，評(píng)估挖掘機(jī)斗齒或其他施工機(jī)具能否造成管道穿孔破壞。

4）管道壁厚要滿足臨界主要缺陷長(zhǎng)度（CDL）的要求。在T1和T2類等級(jí)的地區(qū)，用加大鋼管壁厚的方式來增加鋼管臨界缺陷長(zhǎng)度，確保管道發(fā)生穿透缺陷時(shí)，不產(chǎn)生延性擴(kuò)展。按設(shè)計(jì)所定義的最小臨界缺陷長(zhǎng)度，滿足對(duì)鋼管壁厚的要求，同時(shí)計(jì)算防止缺陷開裂的最小沖擊韌性值。

5）壁厚滿足應(yīng)力應(yīng)變準(zhǔn)則。一般線路段組合應(yīng)力不超過90%最低屈服強(qiáng)度。

6）壁厚滿足斷裂控制的要求。抗脆性斷裂能力通過“落錘撕裂試驗(yàn)”來檢驗(yàn)；延性斷裂控制所需的最小韌性值計(jì)算參照Battelle簡(jiǎn)化公式或者其雙曲線模型。

7）壁厚滿足公路鐵路穿越處應(yīng)力準(zhǔn)則，按API 1102核算。

上述壁厚計(jì)算及校核的公式可參見AS 2885.1—2012相關(guān)章節(jié)，另外還有一些其他需要考慮的因素，如壁厚能抵抗應(yīng)力腐蝕開裂、壁厚應(yīng)使管道達(dá)到足夠的疲勞壽命、滿足“特殊段施工”（特殊的穿跨越，定向鉆外力失穩(wěn)等）、試壓允許的高差分析等，這些情況需根據(jù)具體的工程要求選擇。

4 閥室間距差異

澳標(biāo)中對(duì)輸氣管道在R1等級(jí)地區(qū)的閥室間距無具體要求，并不意味著可以任意設(shè)置，需考慮閥室間隔管段內(nèi)天然氣釋放量和維搶修時(shí)間因素。一般來說，閥室間距的增加雖然減少了工程投資，但增加了事故發(fā)生時(shí)可能造成的潛在危害[5-6]，因此閥室間距設(shè)置需綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行安全。

結(jié)合澳洲地區(qū)輸氣管道工程實(shí)踐，對(duì)于R1地區(qū)等級(jí)，管道截?cái)嚅y室間距一般控制在50～80 km。在R2等級(jí)地區(qū)，閥室間距最大為30 km，T1和T2等級(jí)地區(qū)閥室最大間距均為15 km。對(duì)于輸油管道，在R1、R2地區(qū)閥室間距無要求，T1和T2地區(qū)最大間距均為15 km，其他閥室設(shè)置考慮因素與美標(biāo)和國(guó)標(biāo)中基本一致。

5 安全管理研究

安全管理研究（SMS）是設(shè)計(jì)中需要關(guān)注的一項(xiàng)內(nèi)容，在AS 2885.1—2012中明確提出，在前期設(shè)計(jì)（如Pre-FEED/FEED）階段，需要開展安全管理研究工作并形成報(bào)告提交。該報(bào)告涵蓋風(fēng)險(xiǎn)分析的部分內(nèi)容，其主要目的是：①分析識(shí)別對(duì)項(xiàng)目、環(huán)境及社會(huì)影響存在主要風(fēng)險(xiǎn)的高后果事件，并提出控制消減措施；②提供足夠的信息，使業(yè)主或利益相關(guān)方能參與到監(jiān)管及審批流程中，并對(duì)該項(xiàng)目相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)與措施做出決策。

該研究執(zhí)行過程中首先對(duì)管道沿線位置特征進(jìn)行分析，按里程段列出對(duì)管道可能存在的潛在威脅源清單。對(duì)這些威脅源按點(diǎn)狀、線狀、面狀分類，根據(jù)失效后果嚴(yán)重程度和發(fā)生概率計(jì)算矩陣得到風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，并從技術(shù)上或管理程序上采取防范措施以消除或減緩識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)，分析方法和結(jié)論編制成獨(dú)立的安全管理研究報(bào)告。

6 結(jié)論

采用澳標(biāo)開展管道線路設(shè)計(jì)時(shí)，與常規(guī)設(shè)計(jì)中的差異包括：

1）在設(shè)計(jì)前期一般為項(xiàng)目建立GIS數(shù)據(jù)集，用于線路選擇與優(yōu)化，并在后期傳遞與移交這些數(shù)據(jù)。

2）地區(qū)等級(jí)劃分按熱輻射率計(jì)算量測(cè)距離，根據(jù)量測(cè)距離內(nèi)的土地利用類型特征和人口密度來確定主要地區(qū)等級(jí)和次要地區(qū)等級(jí)。

3）鋼管壁厚計(jì)算中，設(shè)計(jì)系數(shù)并不對(duì)應(yīng)地區(qū)等級(jí)，一般段設(shè)計(jì)系數(shù)不大于0.8。但是按內(nèi)壓計(jì)算的壁厚應(yīng)參照不同地區(qū)等級(jí)的要求實(shí)施校核，以驗(yàn)證選取的壁厚滿足抗穿透等風(fēng)險(xiǎn)。

4）閥室間距設(shè)置要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)營(yíng)安全，R1地區(qū)規(guī)范中無明確間距要求，一般控制在50～80 km。

5）安全管理研究報(bào)告的大部分內(nèi)容與線路設(shè)計(jì)相關(guān)，其目的是研究管道高后果事件及其應(yīng)對(duì)策略，在設(shè)計(jì)階段為業(yè)主提供足夠的信息,以便為項(xiàng)目監(jiān)管和批準(zhǔn)過程中做出決策。