國(guó)內(nèi)外管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中管道壁厚計(jì)算方法差異

王品賢， 夏俏健， 牛志勇， 李建國(guó)， 徐 碩， 馬偉平

(1.中國(guó)石油天然氣管道局工程有限公司 管道投產(chǎn)運(yùn)行分公司， 河北 廊坊 065001；2.中國(guó)航空油料有限責(zé)任公司 溫州分公司， 浙江 溫州 325024；3.中國(guó)石油管道局工程有限公司 第四分公司， 河北 廊坊 065000；4.中國(guó)石油西南管道天水輸油氣分公司， 甘肅 天水 741002；5.中國(guó)石油管道科技研究中心， 河北 廊坊 065000)

“十三五”期間，我國(guó)建立了西北、東北、西南和海上四大油氣長(zhǎng)輸管道戰(zhàn)略通道[1]。中亞是中國(guó)石油海外投資重點(diǎn)地區(qū)，先后建設(shè)運(yùn)營(yíng)了中亞天然氣管道A、B、C線和中哈原油管道，目前中亞天然氣管道D線正在籌建中[2]。中亞國(guó)家管道設(shè)計(jì)執(zhí)行北美國(guó)家、俄羅斯、中國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和ISO標(biāo)準(zhǔn)，各標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)水平存在的差異，導(dǎo)致在中亞地區(qū)建設(shè)大口徑、高壓力長(zhǎng)輸管道過(guò)程中產(chǎn)生很多問(wèn)題[3]。例如管道項(xiàng)目中應(yīng)執(zhí)行何種類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)、商討管道設(shè)計(jì)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)耗費(fèi)時(shí)間、管道建設(shè)周期變長(zhǎng)、管道設(shè)計(jì)很難以最優(yōu)方案實(shí)現(xiàn)等，造成管道建設(shè)成本增加。中亞天然氣管道D線就因?yàn)跗潉e克斯坦缺少高壓管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)造成管道投資增加[4]。

美國(guó)、加拿大和俄羅斯是世界上長(zhǎng)輸管道建設(shè)發(fā)達(dá)國(guó)家[5]。我國(guó)油氣管道海外投資合作的增加，以及大口徑、高鋼級(jí)、高壓力管道的發(fā)展，均要求相關(guān)方加強(qiáng)對(duì)國(guó)外管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的研究分析和應(yīng)用[6-7]。文中分析研究了中國(guó)、俄羅斯、美國(guó)和加拿大管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中管道壁厚計(jì)算方法的差異，闡述了各標(biāo)準(zhǔn)管道壁厚計(jì)算方法中關(guān)鍵參數(shù)的含義和取值依據(jù)。結(jié)合典型管道設(shè)計(jì)示例，按照各國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出了管道壁厚計(jì)算值。

1 國(guó)內(nèi)外管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中壁厚計(jì)算方法

1.1 中國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1.1.1 GB 50251—2015

GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]中規(guī)定輸氣管道直管段管壁厚度按照式(1)計(jì)算：

(1)

式中，δ為鋼管計(jì)算壁厚，D為鋼管外徑，mm；p為設(shè)計(jì)壓力，σs為鋼管的最小屈服強(qiáng)度，MPa；φ為焊接接頭系數(shù)；F為強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，輸氣管道一級(jí)一類(lèi)、一級(jí)二類(lèi)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)地區(qū)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)分別為0.8、0.72、0.6、0.5和0.4；T為溫度折減系數(shù)，溫度小于120 ℃時(shí)T取1.0。

1.1.2 GB 50253—2014

GB 50253—2014《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]中規(guī)定輸油管道直管段管壁厚度應(yīng)按式(2)計(jì)算：

(2)

其中

[σ]=kφσs

(3)

式中，[σ]為鋼管許用應(yīng)力，MPa；k為設(shè)計(jì)系數(shù)，輸油站外原油管道一般地段取k=0.72。

中國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中輸油管道和輸氣管道壁厚設(shè)計(jì)公式基本相同，差異在于輸氣管道壁厚計(jì)算中的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)按照地區(qū)等級(jí)取不同的數(shù)值，而輸油管道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)為定值。此外，輸氣管道壁厚計(jì)算中考慮了溫度折減系數(shù)，當(dāng)溫度小于120 ℃時(shí)T取1.0。因此在油氣管道運(yùn)行溫度范圍內(nèi)，溫度折減系數(shù)對(duì)壁厚計(jì)算無(wú)實(shí)際影響[10]。

1.2 俄羅斯管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

SNIP 2.05.06-85—1997《干線管道設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]中規(guī)定管道壁厚按照式(4)計(jì)算，如存在縱向和周向壓縮應(yīng)力，管道壁厚按照式(5)計(jì)算。

(4)

(5)

(6)

(7)

1.3 美國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.1 ASME B31.8—2016

ASME B31.8—2016《氣體輸送和配送管道系統(tǒng)》[12]中規(guī)定輸氣管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力下的公稱壁厚計(jì)算式為：

(8)

式中，δn為公稱壁厚，DN為公稱外徑，mm；Ja為軸向連接系數(shù)。

輸氣管道一級(jí)一類(lèi)、一級(jí)二類(lèi)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)地區(qū)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)F分別為0.8、0.72、0.6、0.5和0.4。當(dāng)溫度小于120 ℃時(shí)，T取1.0。

1.3.2 ASME B31.4—2016

ASME B31.4—2016《液態(tài)烴和其他液體管線運(yùn)輸系統(tǒng)》[13]中規(guī)定輸油管道直管段壓力設(shè)計(jì)壁厚計(jì)算公式為：

(9)

式中，t為壓力設(shè)計(jì)壁厚，mm；pi為設(shè)計(jì)內(nèi)壓力，S為許用應(yīng)力，MPa；鋼管許用應(yīng)力[σ]計(jì)算式與式(3)相同，設(shè)計(jì)系數(shù)k取0.72。

輸油管道直管段公稱壁厚計(jì)算公式為：

tn≥t+A

(10)

式(10)中，公稱壁厚tn考慮了壓力和安全裕量，A考慮了螺紋和開(kāi)槽輸送管裕量以及腐蝕裕量，如采用保護(hù)措施，則無(wú)需考慮腐蝕裕量。

1.4 加拿大管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

CSA Z662—2015《油氣管道系統(tǒng)》[14]中規(guī)定給定設(shè)計(jì)壓力下直管段的壁厚計(jì)算公式為：

(11)

式中，J為連接系數(shù)，對(duì)于無(wú)縫鋼管、電焊鋼管和埋弧焊鋼管，J取1；L為位置系數(shù)，具體取值見(jiàn)表1。F取0.8，溫度低于120 ℃時(shí)T取1.0。

表1 CSA Z662—2015中管道位置系數(shù)取值

CSA Z662—2015規(guī)定公稱壁厚不能小于壓力設(shè)計(jì)壁厚，還應(yīng)加上腐蝕、螺紋等安全裕量，計(jì)算公稱壁厚時(shí)不需考慮制造公差。CSA Z662—2015中的高蒸氣壓管道系統(tǒng)指按照ASTM D323—2008《石油產(chǎn)品蒸氣壓力的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(瑞德法)》[15]測(cè)定的在38 ℃時(shí)蒸氣壓大于110 kPa的輸送液態(tài)或氣-液態(tài)烴的管道系統(tǒng)，低蒸氣壓管道系統(tǒng)指按照ASTM D323—2008測(cè)定的在38 ℃時(shí)蒸氣壓小于110 kPa的輸送液態(tài)或氣-液態(tài)烴的管道系統(tǒng)。GB 17930—2016《車(chē)用汽油》[16]中規(guī)定汽油蒸氣壓在40～85 kPa，參考此條規(guī)定，原油、成品油管道可按照低蒸氣壓管道系統(tǒng)考慮[17]。

2 國(guó)內(nèi)外管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中壁厚計(jì)算方法差異分析

2.1 中俄管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

俄羅斯管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中管道壁厚計(jì)算考慮的影響因素更為全面，例如載荷可靠性系數(shù)n、管道工作條件系數(shù)m、材料可靠性系數(shù)kL、鋼管用途可靠性系數(shù)kH等。我國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中僅考慮了強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)F、焊接接頭系數(shù)φ和溫度折減系數(shù)T等。

俄羅斯管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中還考慮了管道存在縱向和軸向壓縮應(yīng)力的情形，給出了管道雙軸受力狀態(tài)系數(shù)，計(jì)算過(guò)程較復(fù)雜。中國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中則未考慮這種情形。

2.2 中美管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)輸氣管道的壁厚計(jì)算方法，中美管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是相同的，僅部分參數(shù)表述略有差異。例如中國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的焊接接頭系數(shù)φ，在美國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中定義為軸向連接系數(shù)Ja，但其物理意義和取值依據(jù)是相同的。

對(duì)輸油管道的壁厚計(jì)算方法，中美管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)基本相同，差異在于美國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定管道公稱壁厚應(yīng)為壓力設(shè)計(jì)壁厚加上螺紋和開(kāi)槽輸送管裕量以及腐蝕裕量。螺紋和開(kāi)槽輸送管指符合ASTM A193/A193M—2016《高溫設(shè)備用合金鋼和不銹鋼螺栓材料》[20]的螺栓連接件，不適用長(zhǎng)輸管道[21]。美國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，如采用保護(hù)措施，則無(wú)需考慮腐蝕裕量。我國(guó)對(duì)長(zhǎng)輸管道已強(qiáng)制實(shí)施GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》[22]，陰極保護(hù)系統(tǒng)與新建管道同步建設(shè)和投入使用[23]，管道保護(hù)措施較完善，不需考慮管道壁厚腐蝕裕量。因此，公稱壁厚數(shù)值上等于壓力設(shè)計(jì)壁厚。

在相同工況條件下，按照中美管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分別計(jì)算出的管道壁厚數(shù)值是相同的。

2.3 美加管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)和加拿大管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的壁厚計(jì)算方法基本相同，差異在于強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)的數(shù)值和取值依據(jù)。美國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了不同地區(qū)等級(jí)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，一級(jí)一類(lèi)、一級(jí)二類(lèi)、二級(jí)、三級(jí)及四級(jí)四度地區(qū)的氣體管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)分別為0.8、0.72、0.6、0.5和0.4，液體管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)為0.72。而加拿大管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)為定值，并規(guī)定了不同地區(qū)等級(jí)的位置系數(shù)，不同地區(qū)強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)與位置系數(shù)的乘積見(jiàn)表2。

表2 加拿大管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)與位置系數(shù)乘積

美加管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中管道壁厚計(jì)算方法的差異在于，①無(wú)論是氣體管道還是液體管道，加拿大管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)均高于美國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的。ASME B31.4—2016明確指出，強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)已考慮了壁厚偏差/公差以及最大缺陷深度，強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)數(shù)值不能超過(guò)0.72，特殊位置管段的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)數(shù)值可以低于0.72。②在相同工況條件下，按加拿大管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)得到的壁厚計(jì)算值小于按美國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)得到的壁厚計(jì)算值。

3 管道壁厚計(jì)算示例

中國(guó)在哈薩克斯坦西部建設(shè)的某輸氣管道，管道所處地區(qū)等級(jí)為一級(jí)，管道材料采用X65鋼，管徑1 016 mm，設(shè)計(jì)壓力6.4 MPa，載荷(管道內(nèi)壓力)可靠性系數(shù)1.1，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度531 MPa，管道工作條件系數(shù)0. 75，材料可靠性系數(shù)1.34，鋼管用途可靠性系數(shù)1，計(jì)算抗拉強(qiáng)度 297.2 MPa，鋼管的最小屈服強(qiáng)度448 MPa，焊接接頭系數(shù)1，溫度折減系數(shù)1。采用中國(guó)、俄羅斯、美國(guó)和加拿大管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的管道壁厚分別為10.08 mm、11.75 mm、10.08 mm和9.07 mm。

可以看出，采用各國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)得到的壁厚計(jì)算值存在差異，按加拿大管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)得到的壁厚值最小，按中國(guó)和美國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)得到的壁厚值相同，而按俄羅斯管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)得到的壁厚計(jì)算值最大，俄羅斯管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)保守。

4 結(jié)論

(1)中國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中考慮了強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)、焊接接頭系數(shù)和溫度折減系數(shù)等。在此基礎(chǔ)上，美國(guó)和加拿大管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中考慮了腐蝕、螺紋等安全裕量。俄羅斯管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)壁厚計(jì)算考慮的因素最為全面，包括載荷可靠性系數(shù)、管道工作條件系數(shù)、材料可靠性系數(shù)及鋼管用途可靠性系數(shù)等。

(2)俄羅斯管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中壁厚計(jì)算的理論基礎(chǔ)是標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度，而中國(guó)、美國(guó)和加拿大管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中壁厚計(jì)算的理論基礎(chǔ)是鋼管的最小屈服強(qiáng)度，這是俄羅斯管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中壁厚計(jì)算方法偏保守的根本原因。

(3)加拿大管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)略高于中國(guó)和美國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的，按照加拿大管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)得到的管道壁厚值最小。

(4)進(jìn)行中亞國(guó)家長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)時(shí)，在執(zhí)行所在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，可參考我國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或者美國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。從減少管道投資成本角度考慮，可參考加拿大管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。采用國(guó)內(nèi)外管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壁厚設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)互相借鑒參考，必要時(shí)可采用通用管道設(shè)計(jì)軟件對(duì)壁厚計(jì)算值進(jìn)行校核。