Saudi Aramco及ADNOC埋地管道壁厚計算設計實踐及探討

程浩力，徐學敏，張連來，王杰，馬曉天，蔡峰峰，孫學藝

（中國石油工程建設有限公司北京設計分公司，北京 100085）

20 世紀30 年代，以石油七姐妹為主的SHELL、BP、MOBIL、EXXON、CASOC 等歐美超級石油巨頭在阿拉伯半島開啟了自己近半個世紀的黃金時代。Saudi Aramco 和ADNOC 即創(chuàng)立于這些石油工業(yè)鼻祖之手[1-2]。至1973 年第四次中東戰(zhàn)爭前后，沙特及阿聯(lián)酋逐步對其兩家石油公司開展了國有化，與中東、非洲及南美很多國家國有化運動中政府直接宣告法令進而逼走國外投資者不同，阿聯(lián)酋及沙特政府則是通過逐步“贖買”溫和完成了國有化，歐美石油巨頭的成熟的管理及技術理念得以完全保留。Saudi Aramco 和ADNOC 公司分別代表各自國家，作為國家石油公司管理其境內(nèi)石油天然氣資源，而西方石油巨頭則作為小股東或經(jīng)理人團隊，提供技術資金及人力資源培訓，繼續(xù)對生產(chǎn)、技術等進行管理。

自2008 年起，中國石油在中東地區(qū)從戰(zhàn)后的伊拉克起步，在魯邁拉、哈法亞等項目上同西方石油巨頭成功合作，全面大幅提高了自身的國際化能力及技術、管理水平，也逐漸獲得了阿拉伯半島Saudi Aramco 和ADNOC 兩大石油巨頭的垂青，自2008 年起，中石油旗下管道局和工程建設公司持續(xù)承擔了沙特阿美拉斯坦努拉項目/哈拉德天然氣管道項目/重油管道項目、阿布扎比原油管線項目/阿薩布油田項目/曼德油田項目/巴布油田項目等大型項目，在中東阿聯(lián)酋及沙特市場站穩(wěn)了腳跟。ADNOC 及沙特阿美企業(yè)標準完全依托于其創(chuàng)建者西方石油巨頭成熟完善的體系，在其境內(nèi)開展工程建設，必須首先滿足其規(guī)范的關于設計、施工、安全、環(huán)境、運營維護的嚴格要求執(zhí)行。沙特和阿聯(lián)酋近年來以中國石油為主的中國能源企業(yè)在“一帶一路”倡議的推動下，同沙特及阿聯(lián)酋的油氣合作碩果累累，不斷獲得開發(fā)權益及中標油氣田總包項目，根據(jù)2020 年6 月17 日發(fā)布的《BP 世界能源統(tǒng)計年鑒（2020）》[3]，中國為沙特最大原油購買國，為阿聯(lián)酋第三原油購買國。工程設計作為油氣開發(fā)的前端龍頭，有著極為重要的作用，因此鑒于中國同沙特及阿聯(lián)酋能源合作的前景，結合沙特Saudi Aramco 和阿聯(lián)酋ADNOC 兩大國家石油公司標準規(guī)范及其一些項目的設計實踐，闡述Saudi Aramco 和ADNOC 項目對油氣管道壁厚計算、應力校核等要求及所需要考慮的問題，以期為今后類似項目提供一定的借鑒和指導。

1 管道壁厚計算

1.1 壁厚計算理論

作為管道設計的最基本要素，管道壁厚的確認及應力校核是管道線路各類設計文件中最重要的環(huán)節(jié)，針對管道壁厚的計算，眾多學者也對包括中俄標準差異性等做了一定的研究[4-7]。Saudi Aramco 的SAESL-410 和ADNOC Onshore 的ES 30.99.12.0032 主要以美國ASME B31.4 Pipeline Transportation Systems for Liquids and Slurries/ASME B31.8 Gas Transmission and Distribution Piping Systems 的理論為主，并輔以ISO 13623 Petroleum and Natural Gas Industries - Pipeline Transportation Systems 及Shell DEP 31.40.00.10 Pipeline Engineering 的部分要求作為補充。ASME B31.4 和ASME B31.8 管道壁厚計算值是基于地區(qū)等級、設計內(nèi)壓力、管道材質(zhì)等基礎上由管道環(huán)向應力得出。

對于適用于ASME B31.4 的液體管道，管道壁厚由403.2 節(jié)的公式得到：

對于適用于ASME B31.8 的氣體管道，管道壁厚由841.1.1 節(jié)的公式得到，

式中t——管道計算壁，mm；

P——管道設計內(nèi)壓力，MPa；

D——管道公稱外徑，mm；

S——鋼管屈曲強度，MPa；

E—— 縱 向 焊 縫 系 數(shù)（ASME B31.4 表403.2.1-1，ASME B31.8 表841.1.7-1）；

F——環(huán)向應力設計系數(shù)；

T—— 溫 度 折 減 系 數(shù)（ASME B31.8 表841.1.7-1）。

通常情況下，管道壁厚還應滿足壽命周期需要的腐蝕裕量，即：

式中A——腐蝕裕量，mm；

tn——管道公稱壁厚，mm。

鋼管的初步所選壁厚在ASME B36.10M Welded and Seamless Wrought Steel Pipe 中選取，設計人員應避免過度保守，一般選取滿足tn要求的最接近的經(jīng)濟壁厚。在某些情況下，當tn值和ASME B36.10M中接近的厚度值之間的差值很小時，則需要選擇下一標號的壁厚。

除此之外，由于較大的管道徑厚比D/t、較薄的壁厚、較低的屈服強度等因素會使得鋼管對扁平度、橢圓度、屈曲和凹陷更加敏感，鋼管現(xiàn)場吊裝、轉(zhuǎn)運、布管等過程中易發(fā)生管子的端口圓度變化，不利于保證施工質(zhì)量。因此，ASME B31.4 的403.2.5 規(guī)定，式（1）、（2）適用的管道徑厚比D/t不宜大于100（適用于ASME B31.8），而ADNOC 的設計規(guī)范則規(guī)定公式適用的D/t應小于96（Shell DEP 31.40.00.10 第6.4.1.1 條）。

上述管道壁厚結果僅適用于直管壁厚，針對冷彎曲和熱煨彎管，需要根據(jù)本文第5 部分進一步確認適用的壁厚。需要注意的是，上文根據(jù)ASME B36.10M 選擇的標準壁厚，需要另外滿足軸向應力、組合應力以及安裝時的彈性彎曲等要求，因此壁厚是否滿足設計要求，仍需要進一步核算。

1.2 最小壁厚要求

由于較小的壁厚不利于生產(chǎn)且導致徑厚比D/t比過高，造成管道施工過程中圓截面的失穩(wěn)變形。大多數(shù)規(guī)范都對徑厚比D/t比及管道最小壁厚提出要求。GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》第5.1.3條規(guī)定，輸氣管道的最小管壁厚度不應小于4.5 mm。

ADNOC Onshore 的ES 30.99.12.0032 的 第8.2條最小公稱壁厚不得低于4.8 mm（取自殼牌DEP 31.40.00.10 第6.4.1.1 條）。

Saudi Aramco 的SAES-L-410 第11.3 條做出了更細的規(guī)定，要求對于碳鋼管道，最小公稱壁厚不得小于表1 所列的值。

表1 鋼管最小允許壁厚Table 1 Minimum allowable wall thickness of steel pipe

2 軸向應力校核

管道的應力分析是用于進一步校核驗證管道壁厚是否滿足的手段，國外油氣田管道工程項目中對大口徑、高溫、高壓的油氣管道（主要是溫度壓力較高的油氣集輸管道及大口徑外輸及集輸干線）常會采用CAESAR Ⅱ進行分析，并編制獨立的設計文件《PIPELINE STRESS ANALYSIS REPORT》。在管道壁厚計算報告中，則需要對所有管道根據(jù)規(guī)范的公式開展應力校核。針對管道的應力校核及分析，大量學者做過研究和探討[8-13]。

受限管道（埋地管道）由于熱膨脹造成的軸向應力應按照ASME B31.4 的第402.5.1 條以及ASME B31.8 的第833.2 條計算：

式中E——鋼管在環(huán)境溫度下的彈性模量，MPa；

α——熱膨脹系數(shù)，1/℃；

T1——鋼管安裝、連頭或回填時的溫度，℃；

T2——最大操作溫度（設計溫度），℃。

關于T2溫度取值問題，雖然ASME B31.4 及ASME B31.8 上對于T2的定義為操作溫度/最大操作溫 度（Operating Temperature/The Warmest Operating Temperature），但大部分規(guī)范名沒有明確規(guī)定最大操作溫度和設計溫度之間的差值，以TOTAL（道達爾）、PETRONAS（馬來西亞國家石油公司）、ADNOC（阿布扎比國家石油公司）、KOC（科威特石油公司）等為代表的石油公司及下屬設計部門和以Fluor、WorleyParsons、Techinip 等為代表的設計公司均采用設計溫度進行計算。由于設計參數(shù)對管道壁厚及施工成本有著直接的影響，因此工藝專業(yè)在根據(jù)操作參數(shù)確定設計參數(shù)不宜取值太高，Saudi Aramco 的SAESL-410 規(guī)范也多次明確指出這方面的要求。

由于溫度增加、流體壓力、彎矩和軸向載荷的綜合影響，在完全約束條件下（埋地管道）的軸向應力是根據(jù)ASME B31.4 第402.6.1 條或ASME B31.8第833.3 條計算。

對于適用于ASME B31.4 的液體管道，軸向應力為：

對于適用于ASME B31.8 的氣體管道，軸向應力為：

式中SL——管道的軸向應力，MPa；

SP—— 內(nèi)壓引起的管道軸向應力，SP= 0.3SH，MPa；

ST——熱膨脹引起的管道軸向應力，MPa；

SX—— 除熱膨脹和內(nèi)壓力外，其他軸向載荷而產(chǎn)生的應力，SX=F/A，MPa；

SB—— 重力或其他外部載荷引起的彎曲應力，SB=M/Z，MPa。

ASME B31.4 和ASME B31.8 具 有 同 源 性，因此式（6）和式（7）本質(zhì)上并無區(qū)別。根據(jù)ASME B31.8 的第833.3（b），軸向應力應滿足以下條件：

式中S——鋼管的屈服強度，MPa；

T—— 溫度折減系數(shù)，121 ℃以下取值為1（ASME B 31.8 表841.1.8-1）。

3 組合應力校核

根據(jù)液體的ASME B31.4 第402.7 條和ASME B31.8 的第833.4（a）條，當扭矩可以忽略時，組合應力使用最大剪切應力理論公式（9）或最大變形能理論公式（10）進行計算。

式中Seq——組合應力，MPa。

根據(jù)ASME B31.8 的第833.4（b）條，組合應力應滿足以下條件：

式中S——鋼管的屈服強度，MPa；

T—— 溫度折減系數(shù)，121 ℃以下取值為1（ASME B 31.8 表841.1.8-1）；

k——取值一般為0.9。

4 最小彈敷曲率半徑計算

彈性敷設是油氣管道線路涉及及施工中最常用的方式，當平面轉(zhuǎn)角較小和地形起伏不大時，往往優(yōu)先考慮使用彈性敷設。ADNOC Onshore 的ES 30-99-12-0028 Specification for Underground Pipeline Construction 及ES 30-99-12-0026 Specification for Above ground Pipeline Construction 的第14 章明確規(guī)定，管道水平轉(zhuǎn)向和縱向變坡應優(yōu)先使用彈性敷設。同樣GB 50253—2014 輸油管道工程設計規(guī)范第4.2.2條也做了相應要求。部分學者也針對彈性敷設設計及計算進行了探討[14-15]。

管道的彈性敷設最小曲率半徑是由管道偏離直線所引起的允許永久應力得出的，為的是使管道按照預定路由路線進入管溝而不產(chǎn)生任何塑性變形。彈性彎曲半徑的確定基于梁理論“Beams Theory”。如圖1 所示，管道視為一條懸臂梁，其末端載荷集中：

圖1 梁理論示意圖Fig.1 Diagram of beam theory

完全受限管道（埋地管道）的最小允許彈性彎曲半徑基于組合應力中可用于彎曲應力的余量確定。本計算忽略了回填土對管道造成的環(huán)向外力。

管道的最大軸向應力由式（10）變化得到：

管道的彎曲應力由以下公式得到：

其中，SL根據(jù)變形得到：

將由式（13） ～ （15）計算的SBmax代入式（12）就可以得到最小曲率半徑。最大剪切應力理論和最大變形能理論都在本計算中得到了應用。最大值即是所選的計算值。

管道最小曲率半徑計算是國外油氣管道項目設計文件中必備計算要求。在國內(nèi)外油氣管道工程實踐中，管道安裝時曲率半徑一般不宜低于1 000 D（定向鉆不宜小于1 500 D 且一般不應小于1 200 D），實際工程中管溝開挖能滿足鋼管1 500 D 以下的曲率半徑比較容易達到（在一兩根鋼管長度范圍內(nèi)就能完成一個自然的彈性敷設角度）。因此，在設計管道選取壁厚時，爭取使得計算壁厚盡量不超過1 000 D（個別情況盡量不超過1 500 D）。

工程實踐中，明顯影響鋼管曲率半徑的因素主要有管道壁厚、設計溫度以及鋼管鋼級等設計參數(shù)：

（1）當管道壁厚增大時，管道曲率半徑也會降低；但是由于管道壁厚增大會帶來增加鋼管成本的影響且增加對管道隆起屈曲的隱患，因此實際操作中當曲率半徑很難滿足要求時，往往是采取降低過于保守的設計溫度或增加鋼級的措施。

（2）較低的設計溫度會使得管道曲率半徑降低，施工圖設計及管道的安裝就很容易滿足曲率半徑要求，因此包括ADNOC 及Saudi Aramco 在內(nèi)的石油公司規(guī)范中，明確要求設計參數(shù)不宜過于保守（過度高于操作參數(shù)）。

（3）高強度鋼級具有較高的屈服強度，會直接降低鋼管的曲率半徑，且減少壁厚，降低鋼管成本、焊條耗材、安裝、運輸?shù)缺姸喑杀?，因此ADNOC及Saudi Aramco 大量采用很成熟的X60/X65 等高鋼級鋼管（以沙特阿美為例，其原油含硫量超過2.2 的原油占已探明儲量的53%，含硫超過2.9 的更是占30%，但其旗下項目常采用X60/X65 鋼級）。

由于管道敷設過程中無論是水平轉(zhuǎn)向還是管溝沿地面自然起伏，無處不存在彈性敷設，較小的計算曲率半徑值可以使得管道在安裝過程中在滿足彎曲應力的范圍內(nèi)，用很短的距離完成轉(zhuǎn)向或縱向高差調(diào)整，從而減少土石方且便于管溝開挖及安裝工作。因此，在管道力學計算過程中，一定要注意核算管道曲率半徑的問題，避免由于忽視曲率半徑而導致管道壁厚或鋼級選擇不佳，從而導致管道運營過程中產(chǎn)生超額應力，導致焊口應力集中，最終導致加速焊縫失效的安全隱患。

5 彎管減薄計算

熱煨和冷彎彎管在彎制工程中會導致壁厚減薄，英國石油協(xié)會標準BSI PD 8010-1 Pipeline systems –Part 1： Steel pipelines on land 的公式2 給出了壁厚減薄率的經(jīng)驗公式，ADNOC Onshore 眾多項目工程實踐中均采用了該標準的規(guī)定。

式中n——彎管內(nèi)彎半徑同管道外徑的比值。

6 結論

美國石油協(xié)會（API）、美國機械工程師協(xié)會（ASME）、英國標準協(xié)會（BSI）以及國際標準化組織（ISO）等為國際石油工程行業(yè)最知名的四個協(xié)會，這些協(xié)會的創(chuàng)建也有石油工業(yè)巨頭的貢獻，其旗下石油標準規(guī)范是國際石油天然氣項目中應用最廣泛的基礎標準。由超級石油巨頭創(chuàng)建的Saudi Aramco和ADNOC 則完美繼承了這些國際石油標準。管道壁厚計算報告（Pipeline wall thickness calculation report）或管道力學計算報告（Pipeline mechanical design calculation report）作為獨立的計算報告是國外油氣管道項目設計文件的必備組成，Saudi Aramco 和ADNOC 作為高端市場融入了眾多石油巨頭的合作，以其針對管道壁厚的計算要求為切入點，得出以下結 論：

（1）管道壁厚計算，不能僅根據(jù)環(huán)向應力完成簡單的計算值。而是要進一步完成管道的軸向應力校核、組合應力校核，并根據(jù)彎曲應力計算出彈性敷設曲率半徑，使得管道壁厚得到的曲率半徑值在合理數(shù)值（1 000 D 左右），結合軸向應力、組合應力及曲率半徑的要求，來確定所需要選擇的管道壁厚。

（2）設計溫度、設計壓力、鋼級等對管道壁厚以及成本有著直接的影響。因此，對于部分設計溫度較高的油氣田，盡量選擇已經(jīng)非常成熟且在中東普遍使用的X52 乃至X60/X65 鋼級，以便達到節(jié)省鋼材及安裝運輸成本，且能達到使設計文件應力計算取得較好結果的目的。