基于可靠性方法的輸氣管道設(shè)計(jì)系數(shù)選擇探討

王宏召 托 博 姜 旭 蔡 亮 張瀟涵

（1. 中交城市能源研究設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 沈陽 110026；2. 廊坊中油朗威工程項(xiàng)目管理有限公司，河北 廊坊 065000；3. 中國石油天然氣銷售陜西分公司，陜西 西安 710000；4. 中航油京津冀物流有限公司，天津 300300；5. 甘肅中石油昆侖燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)（咨詢）有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

天然氣在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有優(yōu)越性。建設(shè)大口徑、高鋼級(jí)、高壓力輸氣管道更為經(jīng)濟(jì)，國內(nèi)外以X80鋼級(jí)作為新建輸氣管道的優(yōu)選鋼級(jí)。我國天然氣管道依據(jù)強(qiáng)度應(yīng)力準(zhǔn)則，輸氣管道1級(jí)地區(qū)采用0.72設(shè)計(jì)系數(shù)，不能充分發(fā)揮管材性能[1]。設(shè)計(jì)系數(shù)旨在是將管材制造、施工、運(yùn)行等方面的不確定性集中表征為單一經(jīng)驗(yàn)性系數(shù)。隨著冶金制管工藝水平提高，以及管道施工運(yùn)行技術(shù)進(jìn)步，提出了輸氣管道1級(jí)地區(qū)采用0.8設(shè)計(jì)系數(shù)的設(shè)想。國外輸氣管道采用0.8設(shè)計(jì)系數(shù)獲得巨大效益，顯著降低用鋼量和征地，提高管道許用壓力和輸送效率。國外在地震斷裂帶應(yīng)用基于可靠性管道設(shè)計(jì)方法，可作為評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)系數(shù)適用性的依據(jù)。借鑒可靠性理論方法，研究高鋼級(jí)管道設(shè)計(jì)系數(shù)適用性具有重要意義。

1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中管道設(shè)計(jì)系數(shù)規(guī)定

美國輸氣管道采用0.8設(shè)計(jì)系數(shù)已納入標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，ASME B31.8-2014《氣體管道和燃?xì)夤艿老到y(tǒng)》規(guī)定1級(jí)1類地區(qū)設(shè)計(jì)系數(shù)是0.8，1級(jí)2類地區(qū)設(shè)計(jì)系數(shù)是0.72。1級(jí)地區(qū)含義是在規(guī)定的1.6km管段內(nèi)有人定居的建筑物≤10個(gè)，主要是戈壁、沙漠、山區(qū)等人煙稀少地區(qū)，但未給出1類和2類地區(qū)的實(shí)際意義。20世紀(jì)60年代加拿大輸氣管道已采用0.8設(shè)計(jì)系數(shù)，CSA Z662-2015《油氣管線系統(tǒng)》規(guī)定長輸管道壁厚計(jì)算中設(shè)計(jì)系數(shù)取值0.8。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 13623-2009《管道輸送系統(tǒng)》規(guī)定1級(jí)地區(qū)設(shè)計(jì)系數(shù)是0.83。

國標(biāo)GB 50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求1級(jí)1類地區(qū)（極少有人活動(dòng)和無人員居住區(qū)域）設(shè)計(jì)系數(shù)是0.8，1級(jí)2類地區(qū)（人口密度小于15戶區(qū)域）設(shè)計(jì)系數(shù)是0.72；2級(jí)、3級(jí)、4級(jí)地區(qū)設(shè)計(jì)系數(shù)分別是0.8、0.72、0.6、0.5和0.4，2級(jí)地區(qū)指人口密度在15戶至100戶的區(qū)域；3級(jí)地區(qū)指人口密度大于100戶的區(qū)域；4級(jí)地區(qū)指人口、建筑物高度集中、交通繁忙、埋地設(shè)施密集的區(qū)域。GB 50251在地區(qū)等級(jí)劃分和設(shè)計(jì)系數(shù)與ASME B31.8基本相同，人口密度考慮我國實(shí)際情況略有調(diào)整，解決了我國地質(zhì)環(huán)境多樣化、人口密集、管道建設(shè)安全距離難以保證等問題。

2 管道設(shè)計(jì)系數(shù)涵義及應(yīng)用局限性

輸氣管道設(shè)計(jì)是依據(jù)第三強(qiáng)度理論的基于應(yīng)力的準(zhǔn)則，即管道輸送壓力造成的環(huán)向應(yīng)力值不超過鋼管許用應(yīng)力，環(huán)向應(yīng)力表示為管材最小屈服強(qiáng)度（Specified Minimum Yield Strength，SMYS）乘以設(shè)計(jì)系數(shù)，如式（1）所示。

式中σ管壁環(huán)向應(yīng)力，MPa；p管道輸送壓力，MPa；D管徑，m；t壁厚，m；[σ]管材許用應(yīng)力，MPa；F設(shè)計(jì)系數(shù)；σy管材最小屈服強(qiáng)度，MPa。

水壓試驗(yàn)是確定管道最大運(yùn)行壓力（Maximum Allowable Operating Pressure，MAOP）的重要技術(shù)手段。上世紀(jì)鋼管出廠前水壓試驗(yàn)強(qiáng)度不允許超過0.9 SMYS，運(yùn)行壓力考慮0.8富余量，管道環(huán)向應(yīng)力最高是0.72SMYS，即采用0.72設(shè)計(jì)系數(shù)。隨著大強(qiáng)度水壓試驗(yàn)推廣，試壓強(qiáng)度已超過管材最小屈服強(qiáng)度，提出將管道設(shè)計(jì)系數(shù)提高至0.8的建議?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)地區(qū)等級(jí)選取設(shè)計(jì)系數(shù)，認(rèn)為管道潛在危害與人口密度相關(guān)，但人口密度直接影響管道失效后果，風(fēng)險(xiǎn)等于概率與后果的乘積，現(xiàn)行設(shè)計(jì)系數(shù)是不全面的。隨著管道制造、施工和運(yùn)行技術(shù)進(jìn)步，應(yīng)借鑒可靠性理論方法對(duì)設(shè)計(jì)系數(shù)進(jìn)行評(píng)估。

3 基于可靠性的設(shè)計(jì)方法

基于可靠性的設(shè)計(jì)方法基本思想是計(jì)算管道極限狀態(tài)下載荷，定量分析影響因素及程度，與基于應(yīng)力準(zhǔn)則的傳統(tǒng)方法相比，避免不合理或過于保守設(shè)計(jì)。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 16708-2006《管道輸送系統(tǒng)-基于可靠性的極限狀態(tài)方法》，在管道通過地震斷裂帶進(jìn)行了應(yīng)用。中石油開展課題“天然氣管道基于可靠性的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法研究”，結(jié)合我國管道設(shè)計(jì)施工運(yùn)行實(shí)踐，建立了基于腐蝕、第三方破壞和缺陷的天然氣管道可靠性模型和評(píng)價(jià)方法。利用可靠性設(shè)計(jì)方法評(píng)估設(shè)計(jì)系數(shù)的思路是收集大量輸氣管道設(shè)計(jì)案例，滿足目標(biāo)可靠度條件下反算設(shè)計(jì)系數(shù)，并與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的設(shè)計(jì)系數(shù)對(duì)比。

收集國內(nèi)約3.5萬km輸氣管道200多項(xiàng)設(shè)計(jì)案例，涵蓋4個(gè)地區(qū)等級(jí)、5種壓力等級(jí)（4MPa、6.4MPa、8MPa、10MPa和12MPa）、5種鋼級(jí)（X52、X60、X65、X70和X80）和9種管徑（323mm、426mm、508mm、610mm、660mm、711mm、813mm、1016mm、1219mm）。目標(biāo)可靠度是管道基于可靠性設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，綜合考慮中國天然氣管道行業(yè)的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)水平、期望社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)水平和個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)水平，失效概率考慮管道服役期間的大型泄漏失效概率和破裂失效概率。天然氣管道極限狀態(tài)目標(biāo)可靠度計(jì)算模型如下：

式中RT目標(biāo)可靠度，無因次；ρ人口密度，人/公頃；P設(shè)計(jì)壓力，MPa；D管徑，mm。

GB 50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求輸氣管道壁厚值根據(jù)式（3）計(jì)算。

式中δ管道壁厚值，mm；P運(yùn)行壓力值，MPa；D管徑，mm；sσ管材最小屈服強(qiáng)度，MPa；?焊縫系數(shù)；F設(shè)計(jì)系數(shù)；t溫度折減系數(shù)。

根據(jù)國標(biāo)GB 50251中壁厚計(jì)算方法，以及天然氣管道極限狀態(tài)目標(biāo)可靠度計(jì)算模型，統(tǒng)計(jì)分析國內(nèi)管道案例對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)系數(shù)，基于可靠性的設(shè)計(jì)方法對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)系數(shù)規(guī)律如下：

（1）針對(duì)323mm、426mm和508mm小管徑管道，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)地區(qū)設(shè)計(jì)系數(shù)分別為0.62、0.55、0.5和0.45，整體上小于GB 50251中規(guī)定的設(shè)計(jì)系數(shù)；

（2）針對(duì)610mm和660mm中等管徑管道，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)地區(qū)設(shè)計(jì)系數(shù)分別為0.72、0.65、0.6和0.55，整體上與GB 50251中規(guī)定的設(shè)計(jì)系數(shù)相當(dāng)；

（3）針對(duì)711mm、813mm、1016mm和1219mm大管徑管道，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)地區(qū)設(shè)計(jì)系數(shù)分別為0.8、0.72、0.65和0.6，整體上大于GB 50251中規(guī)定的設(shè)計(jì)系數(shù)。

4 結(jié)語

通過開展國內(nèi)外管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差異分析，計(jì)算分析基于可靠性方法計(jì)算國內(nèi)管道案例的設(shè)計(jì)系數(shù)，結(jié)論如下：

（1）隨著制管工藝和管道施工、運(yùn)行、維護(hù)技術(shù)進(jìn)步，X80管線鋼管的屈服強(qiáng)度、斷裂韌性和可焊接線等性能顯著提升，高鋼級(jí)輸氣管道具備更強(qiáng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，傳統(tǒng)的基于許用應(yīng)力的設(shè)計(jì)方法的合理性值得商榷，基于可靠性的設(shè)計(jì)方法綜合考慮管道系統(tǒng)失效概率和后果，更為科學(xué)合理；

（2）隨著輸氣管道大口徑、高鋼級(jí)、高壓力的趨勢(shì)，基于可靠性的設(shè)計(jì)方法對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)系數(shù)大于GB 50251中規(guī)定的設(shè)計(jì)系數(shù)，設(shè)計(jì)壁厚偏于保守；

（3）輸氣管道一級(jí)地區(qū)宜考慮采用0.8設(shè)計(jì)系數(shù)，降低管道建設(shè)投資，提高經(jīng)濟(jì)性；針對(duì)山區(qū)、水網(wǎng)等特殊環(huán)境管段進(jìn)行應(yīng)力校核，并評(píng)估增大設(shè)計(jì)系數(shù)對(duì)管道系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的影響。