中美俄長輸管道設(shè)計標準關(guān)鍵問題探討

劉江波，孟虎林，于方涌，蔡亮，胡炎興

(1. 中國石油工程建設(shè)有限公司，北京 100120；2. 中國石油青海油田分公司 管道輸油處，青海 格爾木 816000；3. 中國航油集團 津京管道運輸有限責(zé)任公司，天津 300300)

中亞、中緬和中俄管道已成為中國重要的能源戰(zhàn)略通道[1]。為提高管道設(shè)計的科學(xué)性，維護中方利益，應(yīng)研究國內(nèi)外標準在管道工藝設(shè)計中的差異，包括管材、地區(qū)等級劃分、設(shè)計系數(shù)、壁厚計算和壓力試驗等方面[2]。中美標準較為接近，俄羅斯標準自成體系，管道設(shè)計原則各有側(cè)重點。國外管道行業(yè)廣泛采用ASME B 31.8： 2014《氣體輸送和配送管道系統(tǒng)》[3]。GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》[4]借鑒了美國標準在地區(qū)等級劃分、設(shè)計系數(shù)和壁厚計算的理念方法。俄羅斯長輸管道設(shè)計標準是СНиП 2.05.06： 1996《干線管道設(shè)計規(guī)范》[5]。通過研究國標、美標和俄標的重要技術(shù)差異，可為國內(nèi)海外新建管道設(shè)計和驗收提供參考指導(dǎo)作用。

1 管 材

1)國標。國內(nèi)長輸管道常用管材類型是直縫埋弧焊管、螺旋縫埋弧焊管、高頻電阻焊管和無縫鋼管[6]。GB 50251—2015規(guī)定：“長輸管道設(shè)計使用鋼材應(yīng)滿足GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè) 管道輸送系統(tǒng)用鋼管》的PSL2級，PSL2級質(zhì)量等級和制管工藝水平高于PSL1級，包括化學(xué)成分、力學(xué)性能、沖擊功、無損檢測等參數(shù)指標”。

2)美標。ASME B 31.8： 2014規(guī)定：“所有符合API Spec 5L： 2012《管線鋼規(guī)范》的管材均可使用?！毕鄬鴺舜蠓鶖U展了可選用管材的范圍，例如PLS1范圍內(nèi)等級A，B以及等級X42～X70的管材均可用于長輸管道。

3)俄標。СНиП 2.05.06: 1996規(guī)定：“干線管道應(yīng)使用無縫鋼管、電焊直縫鋼管、螺旋焊縫鋼管等”。GOST R52079： 2005《天然氣、原油和成品油干線管道用焊接管件》規(guī)定了鋼級K34～K60，直徑114～1 420 mm，直縫和螺旋焊接鋼管的技術(shù)要求。

4)區(qū)別。國標和美標管材鋼級以字母X開頭(如X60)，數(shù)字表示最小屈服強度值。俄標管材鋼級以字母K開頭(如K60)，數(shù)字表示最小抗拉強度值。俄標強調(diào)管材的抗拉強度性能，高于國標和美標，例如K60管材最小屈服強度為440 MPa，相當于國標和美標X65管材的性能指標(最小屈服強度為450 MPa)；K60管材最小抗拉強度為590 MPa，相當于國標和美標X70管材的性能指標(最小抗拉強度為570 MPa)。

2 地區(qū)等級劃分

國標、美標和俄標關(guān)于地區(qū)等級劃分見表1～表3所列。國標和美標按照管道沿線人口密度和建筑物數(shù)量劃分地區(qū)等級，劃分為四個等級，國標戶數(shù)劃分區(qū)間為15～100戶，美標戶數(shù)劃分區(qū)間為10～46戶，國標相對美標更為寬松。近年來，國內(nèi)國民經(jīng)濟快速發(fā)展，特別是在三、四級地區(qū)人口和建筑物密度急劇增加，研究表明： 隨著管道運行管理技術(shù)提高，以及普遍實施完整性管理和內(nèi)檢測評價技術(shù)，管道事故概率總體為降低趨勢[7]。從管道投資成本和運行管理角度，地區(qū)等級劃分中戶數(shù)可酌定由100戶提升至200戶。

表1 國標關(guān)于地區(qū)等級劃分的規(guī)定

表2 美標關(guān)于地區(qū)等級劃分的規(guī)定

表3 俄標關(guān)于地區(qū)等級劃分的規(guī)定

由于地廣人稀且大部分處于高寒地區(qū)，俄標未考慮管道沿線人口密度分布情況[8]。俄標根據(jù)管段類型(管道干線、站場工藝管道)、所在位置(穿跨越)、輸送介質(zhì)(油、氣)等因素，劃分為四個等級和B級地區(qū)，按照管段類型、所在位置和輸送介質(zhì)的風(fēng)險等級，B級地區(qū)最高，其次是Ⅰ級地區(qū)。按照管段重要程度，站場工藝管道高于干線管道，輸氣管道高于輸油管道，穿跨越及與輸電線路交叉管道高于一般干線管道。

3 設(shè)計系數(shù)

針對強度設(shè)計系數(shù)，國標和美標基本一致，差異在于國標規(guī)定一級1類地區(qū)的管道強度設(shè)計系數(shù)可以采用0.80或0.72，美標規(guī)定一級1類地區(qū)的管道強度設(shè)計系數(shù)采用0.80，國標和美標關(guān)于強度設(shè)計系數(shù)的規(guī)定見表4所列。

表4 國標和美標關(guān)于強度設(shè)計系數(shù)的規(guī)定

俄標規(guī)定管段等級為B，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ時，管道工作條件系數(shù)為0.60，0.75，0.75，0.90和0.90，即從Ⅳ級到Ⅰ級和B級地區(qū)，管道工作條件系數(shù)逐漸降低。俄標中管道工作條件系數(shù)類似于國標和美標中的管道強度設(shè)計系數(shù)，即風(fēng)險等級最高的B級地區(qū)的管道工作條件系數(shù)最小，對應(yīng)于國標和美標中人口密度最大的四級地區(qū)的管道強度設(shè)計系數(shù)最小。在壁厚計算中，俄標還考慮了材料可靠性系數(shù)和鋼管用途可靠性系數(shù)，因此管道工作條件系數(shù)和管道強度設(shè)計系數(shù)的物理意義不完全相同。

4 壁厚計算

國標規(guī)定輸氣管道直管段管壁厚度按式(1)計算：

(1)

式中：δ——鋼管計算壁厚，mm；p——設(shè)計壓力，MPa；D——鋼管外徑，mm；σs——鋼管的最小屈服強度，MPa；φ——焊縫系數(shù)；F——強度設(shè)計系數(shù)；t——溫度折減系數(shù)，當溫度小于120 ℃時，取值1.0。

ASME B 31.8—2014規(guī)定： 根據(jù)輸氣管道系統(tǒng)設(shè)計壓力下的公稱壁厚按式(2)計算：

(2)

式中：δN——鋼管公稱壁厚，mm；DN——鋼管公稱外徑，mm；Ja——軸向連接系數(shù)。

СНиП 2.05.06—1996規(guī)定管道壁厚按式(3)和式(4)計算：

(3)

(4)

國標和美標壁厚計算的理念和方法是相同的，差異在于個別參數(shù)表述形式，國標中焊縫系數(shù)φ在美標中是軸向連接系數(shù)Ja，其物理意義是相同的，如管道工況和計算條件相同，按照國標和美標的壁厚計算值是相同的。

國標和美標壁厚計算的依據(jù)是鋼管最小屈服強度，俄標壁厚計算的依據(jù)是管材抗拉強度。一般情況下，管材抗拉強度大于屈服強度，這是俄標壁厚計算值較大、較保守的根本原因[9]，例如API Spec 5L： 2012規(guī)定： PSL1等級X65鋼管的標準抗拉強度為535 MPa，最小屈服強度為450 MPa。以中亞位于一級地區(qū)輸氣管道為例，烏茲別克斯坦天然氣接入UCGP項目始于Gazli地區(qū)的DKC5管道，終止于UCGP的WKC2邊界的GCS壓氣站，管道干線長度為6.4 km，管徑為1 067 mm，采用X70管線鋼，設(shè)計壓力7.5 MPa，最小屈服強度485 MPa，最小抗拉強度570 MPa。按照國標、美標和俄標的壁厚計算值分別為11.46，11.46，14.76 mm。

5 壓力試驗

國標規(guī)定強度試驗時間不少于4 h，強度試驗壓力值見表5所列，試壓介質(zhì)要求如下：

1)一級1類地區(qū)采用0.8強度設(shè)計系數(shù)的管段應(yīng)采用水作試驗介質(zhì)。

2)一級2類、二級地區(qū)的管段可采用氣體或水作試驗介質(zhì)。

3)三、四級地區(qū)的管段應(yīng)采用水作試驗介質(zhì)。

4)三、四級地區(qū)的管段采用空氣作為強度試驗的條件是現(xiàn)場最大試驗壓力產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力分別小于50%和40%，管材最小屈服強度、最大操作壓力不超過現(xiàn)場最大試驗壓力的80%，且試驗管段是新管子、焊縫系數(shù)為1.0。

表5 國標關(guān)于強度試驗壓力值

美標規(guī)定管道干線試驗壓力大于30%管材最小屈服強度，壓力試驗應(yīng)持續(xù)2 h，強度試驗壓力值見表6所列。其中：pMOP為最大操作壓力，不一定是最大允許操作壓力，pD為設(shè)計壓力，pT為試壓壓力。

表6 美標關(guān)于強度試驗壓力值 MPa

РД 153-39.4p-118： 2002《現(xiàn)役干線石油管道線路試驗規(guī)則》規(guī)定：“管道使用水或防凍液進行液體試驗，在高寒地區(qū)采取保溫措施和熱力計算進行水壓試驗[10]。水壓強度試驗持續(xù)時間為12 h。關(guān)于強度試驗壓力值，Ⅰ級和Ⅱ級輸油管道高點試驗壓力不小于1.25倍工作壓力；Ⅲ級和Ⅳ級輸油管道高點試驗壓力應(yīng)不小于1.1倍工作壓力；B級輸油管道高點試驗壓力等于1.5倍工作壓力。干線石油管道低點的試驗壓力不大于制管出廠前試驗壓力”。

針對試壓介質(zhì)，國標和美標在三、四級地區(qū)嚴格限制應(yīng)力水平條件下允許氣體試壓。俄羅斯傾向于水壓試驗，即使高寒區(qū)管道也進行水壓試驗，禁止氣體試壓是俄標的先進之處。

針對強度試驗穩(wěn)壓時間，國標為4 h，美標為2 h，俄標達到12 h，可以充分暴露管材裂紋和焊接缺陷，并驗證管道承壓能力[11]。

針對強度試驗壓力值，國標依據(jù)設(shè)計壓力，美標依據(jù)最大操作壓力，俄標依據(jù)工作壓力。一般的，管道最大操作壓力小于或等于設(shè)計壓力。

針對最大試壓強度，美標規(guī)定強度試驗按照p-V圖法進行監(jiān)測，判定準則接近管材屈服強度，國標僅一級1類地區(qū)采用0.8強度設(shè)計系數(shù)的管段試壓采用p-V圖，其他地區(qū)等級的管段試驗強度不超過95%管材最小屈服強度。俄羅斯管道行業(yè)普遍進行高強度水壓試驗，最大試壓強度可達1.1倍管材最小屈服強度[12]。因此，從管道進行高強度水壓試驗方面，國標還存在一定差距。

6 結(jié) 論

1)針對管材選擇，國標相對美標更加嚴格，只選用PLS2等級鋼管。俄標在鋼級和性能方面重視管材的抗拉強度值，高于國標和美標。

2)國標和美標按照管道沿線人口密度、建筑物數(shù)量劃分地區(qū)等級，俄標根據(jù)管段類型、所在位置、輸送介質(zhì)等風(fēng)險等級因素劃分地區(qū)等級。

3)國標在一級1類地區(qū)可采用設(shè)計系數(shù)0.80或者0.72，美標在一級1類地區(qū)采用設(shè)計系數(shù)0.80，對應(yīng)俄標的管道工作條件系數(shù)，但二者物理意義不完全相同。

4)國標和美標按照管材屈服強度和管道設(shè)計壓力計算壁厚，俄標按照管材抗拉強度和管道工作壓力計算壁厚。按照國標和美標的壁厚計算值是相同的，俄標的壁厚計算值高于國標和美標。

5)針對管道壓力試驗，國標、美標和俄標差異有以下幾方面：

a)針對試壓介質(zhì)，國標和美標在嚴格限制應(yīng)力水平條件下進行氣體試壓。俄標推薦水壓試驗，禁止氣體試壓。

b)針對強度試驗穩(wěn)壓時間，國標為4 h，美標為2 h，俄標達到12 h，可充分暴露管道缺陷和驗證承壓能力。

c)針對強度試驗壓力值，國標依據(jù)設(shè)計壓力，美標依據(jù)最大操作壓力，俄標依據(jù)工作壓力。

d)針對最大試壓強度，國標僅一級1類地區(qū)采用0.80強度設(shè)計系數(shù)的管段達到管材屈服強

度，其他地區(qū)等級的管段試驗強度不超過95%管材屈服強度。美標和俄標最大試壓強度達到1.0～1.1倍管材屈服強度，國標與美標和俄標存在一定差距。