前蘇聯(lián)大型管道標準在南約洛坦天然氣外輸工程中的應用

祝疆 陳敬民

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司

前蘇聯(lián)大型管道標準在南約洛坦天然氣外輸工程中的應用

祝疆 陳敬民

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司

祝疆等.前蘇聯(lián)大型管道標準在南約洛坦天然氣外輸工程中的應用.天然氣工業(yè)，2012，32（7）：68-71.

土庫曼斯坦國家輸氣管道的管徑為1 420 mm且油氣工程建設標準大部分依然沿用前蘇聯(lián)的標準。為此，從管道強度計算、閥室設置、公路和鐵路穿越3方面討論了前蘇聯(lián)標準СНиП2.05.06—85《大型管道》在中國石油天然氣集團公司南約洛坦天然氣外輸工程的應用，并比較了該標準與中國標準GB 50251—2003《輸氣管道工程設計規(guī)范》在壁厚選擇、閥室設置方面的主要差異，得出以下工程建議：①管道壁厚計算取用兩個標準強度計算值中的保守值，使管道壁厚既能滿足中外規(guī)范的要求，又能保證管道安全；②閥室設置按照СНиП2.05.06—85《大型管道》來進行，符合管道沿線的實際情況；③管道穿越鐵路和公路按照СНиП2.05.06—85《大型管道》執(zhí)行，符合土庫曼斯坦國家習慣性的穿越做法，有利于本工程的設計審查通過與建設；④在使用СНиП2.05.06—85《大型管道》進行管道強度計算時，內壓超載系數(shù)的選取很重要，對于計算結果有較大影響；⑤若工程采用俄羅斯標準制造的鋼管，其屈服強度可能與API 5L標準有區(qū)別，可根據(jù)實際鋼材的屈服強度進行計算并校核；⑥管型選擇與焊縫工藝均對壁厚產生影響；⑦《大型管道》中管段等級與中國相關標準規(guī)定的地區(qū)等級正好相反，應予以注意。

土庫曼斯坦 南約洛坦 天然氣 大型管道 DN1420 mm 管道強度計算 閥室設置 公路和鐵路穿越

土庫曼斯坦南約洛坦氣田是目前世界上最大的整裝氣田之一，產品氣規(guī)模可達400×108m3／a，其中由中國石油川慶鉆探工程公司中標承擔的南約洛坦EPC項目為100×108m3／a規(guī)模的地面建設配套工程，是中國石油天然氣集團公司最大的海外整裝氣田開發(fā)EPCC項目，共包括集輸、凈化及外輸3大部分以及相關配套工程。其中天然氣外輸工程將在土庫曼斯坦沙漠腹地修建一條長約110 km、管徑為1 420 mm的輸氣管道。工程業(yè)主為土庫曼斯坦天然氣康采恩，即土庫曼斯坦國家石油公司。土庫曼斯坦的國家輸氣管網(wǎng)已廣泛采用管徑為1 420 mm的管道進行建設，因此，業(yè)主要求本工程外輸管道也必須采用管徑為1 420 mm的管道，同時要求設計中采用土庫曼斯坦國家標準。

土庫曼斯坦國家的油氣工程建設標準大部分依然沿用前蘇聯(lián)的標準，СНиП2.05.06—85《大型管道》［1］就是其中之一。該標準是前蘇聯(lián)1985年為建設西伯利亞管道而進行編制的，用于指導大口徑管道的設計與施工，之后隨著工程建設而不斷被完善和修訂。以下所提及的是該標準1998年的修訂版本。

由于我國目前輸氣管道的最大管徑為1 219 mm，尚無管徑為1 420 mm的管道設計經(jīng)驗。工程首次使用СНиП2.05.06—85《大型管道》進行設計，為此，南約洛坦設計項目組在中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司專家組的大力支持下進行了積極有效的工作，將前蘇聯(lián)標準《大型管道》與國內天然氣管道建設規(guī)范進行了比較與結合，得出了新的工程應用方法。

以下將從管道強度計算、閥室設置、公路和鐵路穿越3方面進行實際應用分析。

1 管道強度計算

南約洛坦天然氣外輸工程長約110 km，管道管徑為1 420 mm，設計壓力為7.5 MPa，材質采用X70。

管道強度計算考慮了管道所承受的正常內壓、外部荷載等，涉及管道安全，因此將其作為研究和討論重點。

1.1 采用中國標準GB 50251—2003《輸氣管道工程設計規(guī)范》計算管道壁厚

采用中國標準GB 50251—2003《輸氣管道工程設計規(guī)范》［2］計算管道壁厚的公式為：

式中δ為鋼管計算壁厚，mm；p為設計壓力，MPa；D為鋼管外徑，mm；σs為鋼管為最小屈服強度，MPa；φ為焊縫系數(shù)；F為強度設計系數(shù)；t為溫度折減系數(shù)，當溫度小于120℃時，t值取1.0。

該公式源自于美國標準ANSI／ASME B31.8《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》［3］，采用控制管道自身安全的設計理念，以第三強度理論按照材料的屈服極限來進行計算。該公式計算簡便，被歐美國家廣泛采用，也在我國長輸管道建設中得到廣泛應用。在此筆者不作過多說明，現(xiàn)將結果列于表1。

表1 線路用管計算表

1.2 采用前蘇聯(lián)規(guī)范СНиП2.05.06—85《大型管道》計算管道壁厚

本工程直管段管道壁厚（δ）應按下式確定：

式中n為管道工作內壓超載系數(shù)；p為工作（標準）壓力，MPa；DH為管道外徑，cm；R1為計算的抗拉強度。

該公式基于安全距離的理論，雖對管道系統(tǒng)強度有一定的要求，但主要是控制管道與周圍建筑物的距離，以此對周圍建構筑物提供安全保證。本項目管道地處沙漠腹地，地廣人稀。

現(xiàn)對該公式中的各個參數(shù)逐一介紹：

1）n為管道工作內壓超載系數(shù)，按表2取值。

《大型管道》中8.6有如下說明：管道計算時，應考慮管道施工、試壓和運行過程中可能產生的荷載和作用力。荷載超載系數(shù)列于表13（即本文中的表2）中。由于本工程管道采用埋地敷設，考慮到管道和附件的自重，n值取為1.10。

2）p為工作（標準）壓力，是保證管道安全運行的最高表壓。本工程取為7.5 MPa。

3）DH為管道外徑，本工程為1 420 mm。

4）計算的抗拉強度R1，這個參數(shù)和中國標準規(guī)定有所不同，采用的是極限承載能力，按照材料的強度極限來計算，計算公式為：

式中m為管道工作條件系數(shù)，當管道及管段等級分別為B、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ時，對應的m 值分別為0.60、0.75、0.75、0.90、0.90（與中國相關標準中的地區(qū)等級正好相反）；k1為材料安全系數(shù)，按表3所示取值；kH為管道用途可靠性系數(shù)，按表4所示取值。

管子金屬和焊接接頭的標準抗拉強度（抗壓強度）RH1，應分別等于中國國家鋼管標準和技術條件中所列極限強度最小值和屈服極限最小值。

本工程m分別選用0.75、0.90，該數(shù)值類似于中國相關標準中的強度設計系數(shù)。

根據(jù)本工程擬選用的管型為直縫鋼管，符合表3中第一條特性，因此k1選用1.34。

本工程設計壓力為7.5 MPa，因此根據(jù)表4，kH選用1.10。

5）根據(jù)上述的取值，線路用管計算結果見表5。

1.3 推薦意見

通過表1和表5的計算結果可以看出，在中國相關標準所述的一二級地區(qū)用管，采用ASME／ANSI B31.8的公式計算出來的管道壁厚較薄［4］，在三四級地區(qū)用管所計算出來的管道壁厚較厚。因此，從管道安全和滿足土庫曼斯坦國家規(guī)范兩個方面考慮，綜合表1和表5的計算結果，最終線路用管選擇如下：設計壓力為7.5 MPa時，特殊地區(qū)用管規(guī)格為1 420 mm（管徑）×22.2 mm（壁厚）；一般地區(qū)用管規(guī)格為1 420 mm（管徑）×16.5 mm（壁厚）。

表2 內壓超載系數(shù)值表

表3 材料安全系數(shù)值表

表4 管線用途可靠性系數(shù)值表

表5 線路用管計算表

2 閥室設置

1）GB 50251—2003《輸氣管道工程設計規(guī)范》中“4.4截斷閥的設置”中規(guī)定，一級地區(qū)閥室間距不超過32 km。

2）СНиП2.05.06—85《大型管道》中4.12規(guī)定：“管道上必須設置截斷閥，其設置距離通過計算確定，但不超過30 km，與氣體綜合處理裝置、壓縮機站、地下儲氣庫和首站設施連接在輸氣管道上，離入口和出口不小于以下距離：1 000～1 400 m”。

3）鑒于管道在沙漠腹地敷設，地廣人稀，因此，在閥室設置的距離上采用《大型管道》的規(guī)定，不超過30 km設置一座閥室，同時在進出站1 km處設置進出站閥室［5］。

3 公路和鐵路穿越

СНиП2.05.06—85《大型管道》第6章對管道穿越公路和鐵路有較為詳細的說明，與中國相關標準所規(guī)范的穿越要求略有不同［6－10］。從尊重當?shù)亓晳T做法的角度考慮，本工程執(zhí)行《大型管道》之規(guī)定。

想要特別說明的是，《大型管線》保護套管采用鋼套管，而中國在管道建設時，通常采用混凝土水泥套管，原因有二：①鋼套管不做防腐層時，鋼套管會發(fā)生腐蝕而失效，失去保護輸氣管道的作用；②如果鋼套管采用防腐層時，有防腐層的鋼套管會對其內的輸氣管道產生陰極保護屏蔽，輸氣管道就得不到陰極保護，也可能發(fā)生腐蝕。因此，為保證管道安全，筆者不推薦采用鋼套管，只是應土方要求而被迫改成鋼套管。

4 結論

1）管道壁厚計算取用中國標準GB 50251—2003《輸氣管道工程設計規(guī)范》和前蘇聯(lián)管道標準СНиП 2.05.06—85《大型管道》強度計算值中的保守值，這樣管道壁厚既能滿足上述2個規(guī)范的要求，又能保證管道安全。

2）閥室設置按照СНиП2.05.06—85《大型管道》來進行，符合管道沿線的實際情況，同時也符合中國標準的要求。

3）管道穿越鐵路和公路按照СНиП2.05.06—85《大型管道》執(zhí)行，符合土庫曼斯坦國家習慣性的穿越做法，利于本工程的設計審查通過與建設。

4）注意要點：在使用СНиП2.05.06—85《大型管道》進行管道強度計算時，內壓超載系數(shù)的選取很重要，對于計算結果有較大影響；若工程采用俄羅斯標準制造的鋼管，其屈服強度可能與API 5L標準有區(qū)別，可根據(jù)實際鋼材的屈服強度進行計算并校核；管型選擇與焊縫工藝均對壁厚產生影響；《大型管道》中管段等級與中國相關標準規(guī)定的地區(qū)等級正好相反，應予以注意。

［1］蘇聯(lián)國家建委.СНиП2.05.06-85大型管道［S］.莫斯科：［sn］，1987.

［2］油氣田及管道建設設計專業(yè)標準化委員會.GB 50251—2003輸氣管道工程設計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2003.

［3］American Petroleum Institute.API 5L-2007 Specification for line pipe［S］.Washington：API，2007.

［4］American National Standard.ASME B31.8 Gas transmission and distribution piping systems［S］.New York：American Society of Mechanical Engineers（ASME），2007.

［5］陳敬民.土庫曼斯坦南約洛坦氣田100×108m3／a商品氣產能建設工程（地面工程部分）內部集輸及配套工程天然氣外輸線路工程（SYBD-2／2-11GT-GS-01）［R］.成都：中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，2011.

［6］王進春，喬蓓.隧道施工危險性分析及安全對策措施初探［J］.石油與天然氣化工，2008，37（2）：174-176.

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（修改回稿日期 2012-05-10 編輯 何 明）

10.3787／j.issn.1000-0976.2012.07.016

祝疆，1981年生，工程師，學士；主要從事天然氣儲運工程設計工作。地址：（610017）四川省成都市中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司油氣集輸室。電話：（028）86014784，13086685722。E-mail：zhujiang＠cnpc.com.cn