高鋼級大口徑天然氣管道壁厚選擇原則探討

劉海龍，張凱靈，田海州，武思雨

（1. 國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司秦皇島輸油氣分公司，河北 秦皇島 066000）

（2. 中國石油西南油氣田公司輸氣管理處，四川 成都 610000）

（3. 國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司天水輸油氣分公司，甘肅 天水 741002）

（4. 國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司北方管道公司建設(shè)項(xiàng)目管理中心，河北 廊坊 065000）

1 前言

大口徑、高鋼級、高壓力是天然氣管道發(fā)展方向。西氣東輸二線設(shè)計(jì)輸量300×108m3/a，設(shè)計(jì)參數(shù)為管徑1219mm、設(shè)計(jì)壓力12MPa、X80鋼級。中俄東線輸量380×108m3/a，設(shè)計(jì)參數(shù)為管徑1422 mm、設(shè)計(jì)壓力12MPa、X80鋼級。中俄東線代表了世界上X80鋼級天然氣管道建設(shè)最高水平，設(shè)計(jì)輸量380×108m3/a、管徑1422mm、設(shè)計(jì)壓力12MPa。國內(nèi)外規(guī)劃和新建大輸量天然氣管道工程一般采用增大管徑設(shè)計(jì)方案。確定科學(xué)、合理的壁厚可以降低管道投資成本，也是保證管道安全運(yùn)行的基本條件[1]。闡述了GB 50251中長輸管道壁厚計(jì)算方法應(yīng)用于高鋼級、大口徑天然氣管道時(shí)考慮的問題及影響因素，提出在高等級地區(qū)應(yīng)結(jié)合基于管材斷裂力學(xué)性能的許用厚度的觀點(diǎn)。給出了高鋼級（X70-X100鋼級）、大口徑天然氣管道位于不同地區(qū)等級的壁厚參考值及選取原則，可為在新建天然氣管道設(shè)計(jì)和在役管道安全運(yùn)行提供指導(dǎo)。

2 管道壁厚計(jì)算方法及局限性

長輸管道壁厚計(jì)算傳統(tǒng)方法是按照第三強(qiáng)度理論，根據(jù)不同地區(qū)等級選擇相應(yīng)設(shè)計(jì)系數(shù)，保證管道內(nèi)壓力產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力應(yīng)小于管材許用應(yīng)力。國標(biāo)GB 50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定輸氣管道直管段管壁厚度按照式（1）計(jì)算

式中δ鋼管計(jì)算壁厚，mm；P設(shè)計(jì)壓力，MPa；D鋼管外徑，mm；σs鋼管的最小屈服強(qiáng)度，MPa；φ焊縫系數(shù)；F強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)；t溫度折減系數(shù)，當(dāng)溫度小于120℃時(shí)，取值1.0。

隨著在高寒、荒漠、山區(qū)等特殊環(huán)境鋪設(shè)長輸管道，管道沿線地質(zhì)特征多樣化。由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化人口擴(kuò)張，管道地區(qū)等級可能發(fā)生變化。上述壁厚計(jì)算方法應(yīng)用于高鋼級、大口徑天然氣管道時(shí)，應(yīng)考慮下列問題及影響因素：

（1）在一級地區(qū)采用0.8設(shè)計(jì)系數(shù)、降低壁厚的可行性；

（2）管道施工監(jiān)理、焊接檢驗(yàn)，包括焊接預(yù)熱、焊縫分層焊接熱作用影響以及根焊打磨處理和余高限制等；

（3）地形起伏高差造成管道低點(diǎn)腐蝕性積液留存聚集，特殊地貌造成滑坡和沉降；

（4）管道氣質(zhì)狀況，包括管道運(yùn)行期上游脫H2S、脫水、脫CO2以及陰極保護(hù)系統(tǒng)可靠性。

針對特殊環(huán)境地區(qū)管段，除按照GB 50251計(jì)算壁厚值，應(yīng)進(jìn)一步探討管道壁厚的設(shè)計(jì)原則和選擇條件。較高地區(qū)等級，人口密度大，僅通過增加壁厚值提高管道安全性，不能完全避免第三方破壞和地質(zhì)災(zāi)害損毀管道，也應(yīng)考慮大壁厚鋼管制造生產(chǎn)的難度及可行性。

3 基于管材斷裂力學(xué)性能的許用厚度

分析埋地管道受力狀態(tài)，確定合理的壁厚值，保證服役期間管道系統(tǒng)處于平面應(yīng)力平衡狀態(tài)，滿足基于屈服強(qiáng)度和許用應(yīng)力的要求，同時(shí)滿足管材斷裂韌性要求[2]。壁厚值符合式（1），管材斷裂韌性指標(biāo)滿足下式。

式中Kc斷裂韌性指標(biāo)，MPa/(mm)3/2；t管道壁厚，mm；σs管材最小屈服強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)式（2），計(jì)算得到X70-X100鋼級典型壁厚值對應(yīng)的鋼管落錘撕裂試驗(yàn)（DWTT）要求的塑性斷裂韌性指標(biāo)，見表1。調(diào)研新日本制鐵公司NSC、日本JFE鋼鐵株式會社和歐洲鋼管公司Europipe等國外鋼管企業(yè)，高鋼級鋼管斷裂韌性指標(biāo)極限值為6500 MPa/(mm)3/2。因此X70、X80、X90和X100鋼級管道壁厚最大值應(yīng)分別限制在26.7mm、21.3mm、18.4mm和13.7mm。日本高鋼級管線鋼技術(shù)委員會統(tǒng)計(jì)分析X80 管線鋼管DWTT試驗(yàn)數(shù)據(jù)，指出如管道壁厚大于25mm，管道受外力載荷失效對鋼管缺陷敏感，部分驗(yàn)證了高鋼級管道壁厚最大值限制的結(jié)論?？紤]冶金技術(shù)水平影響管材力學(xué)性能，包括化學(xué)成分、組織狀態(tài)和晶粒尺寸等；制管缺陷造成管材力學(xué)性能差異；鋼管質(zhì)量現(xiàn)場檢驗(yàn)，包括工廠試壓水平、分層及帶狀組織偏析、焊縫硬度水平等，都會對鋼管力學(xué)性能和塑性性能產(chǎn)生影響[11]。管道實(shí)際許用厚度應(yīng)盡量避免超過理論壁厚最大值限制。

表1 高鋼級管材塑性斷裂韌性指標(biāo)

4 高鋼級管道壁厚選定原則

參考國外典型高鋼級、大口徑輸氣管道工程，選定廣泛應(yīng)用的四種管道設(shè)計(jì)方案，分別是管徑914mm、設(shè)計(jì)壓力10MPa；管徑1016mm、設(shè)計(jì)壓力10MPa；管徑1219mm、設(shè)計(jì)壓力12MPa；管徑1422mm、設(shè)計(jì)壓力12MPa。目前X80鋼級是國內(nèi)外大型輸氣管道工程的首選鋼級，X90以上鋼級還沒有大規(guī)模工程應(yīng)用，選定X70、X80、X90和X100共4個(gè)鋼級。高鋼級、大口徑天然氣管道位于不同地區(qū)等級的壁厚參考值見表2至表3。

表2 高鋼級、大口徑天然氣管道壁厚計(jì)算值

表3 高鋼級、大口徑天然氣管道壁厚計(jì)算值（續(xù)表）

注：*標(biāo)注指壁厚計(jì)算值超過理論壁厚最大值限制，管道設(shè)計(jì)中應(yīng)謹(jǐn)慎采用。

綜合表2和表3數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

（1）針對X70鋼級鋼管，管徑914mm和管徑1016mm適用于所有地區(qū)等級；管徑1219mm和管徑1422mm在三級地區(qū)和四級地區(qū)應(yīng)謹(jǐn)慎采用。

（2）針對X80和X90鋼級鋼管，管徑914mm和管徑1016mm適用于所有地區(qū)等級；管徑1219mm在三級地區(qū)和四級地區(qū)應(yīng)謹(jǐn)慎采用；管徑1422mm在二級地區(qū)、三級地區(qū)和四級地區(qū)應(yīng)謹(jǐn)慎采用。

（3）針對X100鋼級鋼管，管徑914mm和管徑1016mm在四級地區(qū)應(yīng)謹(jǐn)慎采用，管徑1219mm和管徑1422mm對于所有地區(qū)等級應(yīng)謹(jǐn)慎采用。

（4）X90和X100鋼級超高強(qiáng)度鋼管適用地區(qū)范圍減小，主要原因是隨著管道屈服強(qiáng)度增加，對管道斷裂韌性提出更高要求。一級地區(qū)采用0.8較高設(shè)計(jì)系數(shù)以減少管道壁厚，擴(kuò)大適用地區(qū)范圍，例如管徑1422mm采用0.72和0.8設(shè)計(jì)系數(shù)，一級地區(qū)壁厚計(jì)算值由17.2mm降至15.4mm，已較接近理論壁厚最大值13.7mm，從理論上具備工程應(yīng)用條件。

5 結(jié)束語

壁厚設(shè)計(jì)是長輸管道線路設(shè)計(jì)的最重要內(nèi)容，直接影響項(xiàng)目投資成本。研究表明，X70、X80、X90和X100鋼級管道壁厚最大值應(yīng)分別限制在26.7mm、21.3mm、18.4mm和13.7mm。隨著我國高鋼級輸氣管道快速發(fā)展，建議在一級地區(qū)采用較高設(shè)計(jì)系數(shù)，降低管道壁厚，充分發(fā)揮承壓能力；在三級和四級地區(qū)，除按照GB 50251計(jì)算管道壁厚，還應(yīng)考慮安全保護(hù)、腐蝕狀況、制管施工缺陷等因素，確定合理壁厚值，避免超過理論壁厚值造成浪費(fèi)，必要時(shí)進(jìn)行應(yīng)力和可靠度校核。