輸氣管道調壓系統壓力參數設置探討

李廣群 孫立剛 李佳

中國石油管道局工程有限公司設計分公司

近年來，隨著天然氣應用的普及和推廣，天然氣管道在我國快速發展，長輸天然氣管道總里程已經超過7×104km，輸氣首站和分輸站是天然氣管道建設中的重要組成部分，調壓系統是輸氣首站和分輸站的關鍵工藝設施，是確保輸氣干線和分輸支線安全、平穩、連續運行的重要保證。調壓系統在工藝所需的安全范圍之內，能夠確保管道下游不超過允許的最大操作壓力，調壓系統的壓力參數設置方案直接影響輸氣干線和分輸支線管道的壓力等級選取和管徑設計的合理性，影響管道的投資和管道輸送能力的充分發揮。因此明確調壓系統的具體壓力參數設置方案是十分必要的。

1 國內外現狀

目前國內長輸天然氣管道設計的主要規范依據為GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》[1]，根據GB 50251—2015中的8.4.3款的要求，當壓力控制系統出現故障危及下游供氣設施安全時，應設置可靠的壓力安全裝置。

壓力安全裝置的設計應符合下列規定：

（1）當上游最大操作壓力大于下游最大操作壓力時，氣體調節系統應設置單個的（第一級）壓力安全設備。

（2）當上游最大操作壓力大于下游最大操作壓力1.6 MPa以上，以及上游最大操作壓力大于下游管道和設備強度試驗壓力時，單個（第一級）壓力安全設備還應加上第2個安全設備。此時可選擇下列措施之一：①每一回路串聯安裝2臺安全截斷設備，安全截斷設備應具備快速關閉能力并提供可靠截斷密封；②每一回路安裝1臺安全截斷設備和1臺附加的壓力調節控制設備；③每一回路安裝1臺安全截斷設備和1臺最大流量安全泄放設備。

根據目前國內干線和支線輸氣管道的設計壓力等級劃分，一般干線壓力等級為12或10 MPa，支線壓力等級為6.3或4 MPa，長輸管道站場壓力安全裝置一般都采用“緊急切斷閥+2臺調壓閥”的設置方式，為了能夠控制分輸支線的最大分輸流量，2臺調壓閥多采用“1臺電動調壓閥+1臺自力式調壓閥”的設置方式。這種設置方式既能夠有效防止支線分輸超量使干線能正常輸送，也具有限流的功能，目前已成為國內輸氣管道普遍采用的分輸站調壓系統設置方式。

根據規范的要求，調壓裝置的設置方式基本明確，關于安全切斷閥和2臺調壓閥的具體壓力設置值規范沒有給出明確的要求。同樣是設計壓力為6.3 MPa的管道，不同工程由于上游分輸站的調壓系統壓力設定值不同，導致其最大工作壓力大小不一，設定值較小的管道，極大地限制了下游輸氣管道的輸送能力，是資源的巨大浪費。表1匯總了目前國內已建幾條設計壓力6.3 MPa的支線管道其上游分輸站調壓系統壓力設定值。

在石油和化工工程設計工作手冊第五冊《輸氣管道工程設計》[2]中給出了參考依據，即歐洲標準EN 12816—2014《Gas infrastructure—Gas pressure regulating stations for transmission and distribution—Functional requirements》[3]，其中要求 “緊急切斷閥、監控調壓閥壓力監測點均獨立設在工作調壓閥下游壓力檢測點的同一位置，緊急切斷閥、監控調壓閥、工作調壓閥的壓力設定值關系為：緊急切斷閥>監控調壓閥>工作調壓閥”。在EN 12816—2014標準中，給出了不同最大操作壓力(M OP)條件下，工作調壓閥、監控調壓閥、緊急切斷閥的壓力高限設定值（表2）。

表1 已建6.3 MPa管道上游分輸站調壓系統壓力設定值Tab.1 Pressure set value of pressure regulation system in pstream distribution station ofexisting 6.3 MPapressurepipeline MPa

表2 在EN 12816—2014標準中調壓閥和緊急切斷閥的壓力高限設定值Tab.2 Pressure upper limit set value of pressure regulating valve and emergency shutdown valve in Standard DN12816—2014 MPa

這樣依據EN 12816—2014的規定，可以很容易確定調壓系統各個環節壓力參數設定值。如果我們也采用EN 12816—2014的設定值則需要給出充分的論證依據。

分輸站壓力控制系統首先應該保證下游分輸支線管道的安全，其次要為下游管道提供適用的供氣壓力。EN 12816—2014是專門針對燃氣輸配系統調壓站設計的專用標準，和其配套使用的線路設計標準為 ISO 13623—2007[4]，根據 EN 12816—2014的要求設計和設置的調壓系統能夠保證按照ISO13623—2007設計的管道的安全。國內輸氣管道采用的設計規范是GB 50251—2015，GB 50251—2015在管道線路設計上的部分要求參考了美國API標準ASME B31.8—2014的規定[5]，尤其是在線路地區等級劃分、管道設計系數的選取和鋼管壁厚計算公式等相關的部分，設計要求基本是相同的[6-7]。

因此采用類比推理的方法，對比ISO 13623—2007與GB 50251—2015兩類規范關于管道安全的“線路地區等級的劃分、管道強度設計系數的選取、管道壁厚計算公式、管道強度試驗壓力”等相關內容的差異，推斷出依據GB 50251—2015設計的調壓站可以采用EN 12816—2014的調壓系統壓力參數設定值。

2 兩種標準類比推理分析

2.1 線路地區等級的劃分

ISO 13623—2007在標準的附錄B中對于輸送天然氣和液化天然氣類流體的陸上管道公共安全進行了補充要求，其中包括對于地區等級的劃分，附錄B中對于管道沿線地區等級的劃分基準明確了與人口密度和人員的集中度有關；以管道中心兩側各200 m，任意劃分長度為1.5 km的區段，并以每平方公里的人口數量為界限劃分了不同的地區類別，共劃分了5個地區類別。

GB 50251—2015在第4.2章中對于輸氣管道線路地區等級的劃分進行了明確規定，以居民戶數和建筑物的數量作為管道沿線地區等級的劃分基準，以管道中心兩側各200 m，任意劃分長度為2 km的區段，并以居民戶數數量以及建筑等級為界限劃分了不同的地區類別，共劃分了四級地區類別。兩種標準地區等級劃分以及對比見表3。

兩種標準關于地區等級劃分的標準基本一致，只是在地區劃分的居民戶數和人數上有所區別。以二級（3類）地區為例，ISO 13623—2007的規定是50～250 人/km2，GB 50251—2015 的規定是 15～100戶/km2，兩個標準要求基本相當，ISO 13623—2007比GB 50251—2015要求稍微嚴格一些。

2.2 管道強度設計系數的選取

對于輸氣管道而言，輸氣線路地區等級確定后，管道強度設計系數的確定是關系到不同地區等級安全類別的關鍵因素[8-10]，從表4兩種標準強度設計系數對比可以看出，同級地區的強度設計系數GB 50251—2015比ISO 13623—2007的數值要小，也就是說同地區等級，GB 50251—2015比ISO 13623—2007更安全。

表4 強度設計系數對比Tab.4 Comparison of strength design coefficient

2.3 管道壁厚計算公式

2.3.1 ISO 13623—2007標準的計算公式

在ISO 13623—2007標準第6.4章節中明確了流體管道的環向應力計算公式，該公式考慮了管道外部的靜水壓力，不考慮埋地管道土壓力的影響，該公式為

式中： σhp為管道環向應力，MPa； pid為設計壓力，MPa； pOD為管道外部最小靜水壓力（不考慮埋地管道的土壓力），MPa； DO為管道外徑，mm；tmin為管道最小壁厚，mm。

管道環向應力與鋼管材質最小屈服強度的關系[11-13]為

表3 地區等級劃分對比Tab.3 Comparison of location classification

式中：Fh為地區等級強度設計系數；σb為鋼管標準最小屈服強度，MPa。

整合公式（1）和公式（2）得出

如果忽略管道外部靜水壓力的影響，則公式（3）可以簡化為

在ISO 13623—2007標準中簡化環向應力計算公式（4），可以推出直管段最小壁厚計算公式為

2.3.2 GB 50251—2015標準的計算公式

在GB 50251—2015標準中直接給出了輸氣管道直管段壁厚計算公式

式中： δ為鋼管設計壁厚，mm； p為設計壓力，MPa；D為鋼管外徑，mm； σs為鋼管的最小屈服強度，MPa；φ為鋼管焊縫系數，取1.0；F為強度設計系數；t為溫度折減系數，當溫度小于120℃，t值應取1.0。

如果忽略溫度折減和焊縫系數的影響，GB 50251—2015標準中直管段壁厚計算公式簡化為

2.3.3 壁厚計算對比

管道鋼材采用X70（L485）材質，以設計壓力10 MPa、管徑D=1 016 mm為例計算兩種標準下不同地區類別的實際直管段壁厚，計算結果見表5。從壁厚計算對比可以看出，在相同設計壓力、同管徑、同材質的情況下，由GB 50251—2015標準計算出的壁厚要比由ISO 13623—2007標準計算出的直管段壁厚數值更大，也就是說GB 50251—2015更趨于安全。

表5 設計壓力為10 MPa、管徑為1 016 mm在不同地區等級時兩種標準的管道壁厚計算對比Tab.5 Calculation and comparison of wall thickness of two kinds of standard in different location classification when design pressure is 10 MPa and pipe diameter is 1 016 mm mm

2.4 管道強度試驗壓力

管道強度試驗壓力是驗證和衡量管道強度性能的重要指標，表6列出了ISO 13623—2007與GB 50251—2015兩種標準中的管道強度試驗壓力的取值，在ISO 13623—2007中最大操作壓力表示為MOP，在GB 50251—2015中設計壓力表示為DP。從表6的對比中可以看出，由于MOP≤DP，因此在一級和二級地區GB 50251—2015與ISO 13623—2007的強度試驗壓力基本一致，在三級和四級地區GB 50251—2015要比 ISO 13623—2007的4類和5類強度試驗壓力高，也就是說GB 50251—2015更趨于安全。

表6 兩種標準管道強度試驗壓力對比Tab.6 Comparison of strength test pressure of two kinds of standard MPa

2.5 對比分析

通過對GB 50251—2015和ISO 13623—2007兩個標準的地區等級的劃分、管道強度設計系數的選取、管道壁厚計算公式、管道強度試驗壓力等4個方面的分析可知，GB 50251—2015與ISO 13623—2007在地區等級劃分上基本一致，在強度設計系數選取、管道壁厚計算和強度試驗壓力方面GB 50251—2015比ISO 13623—2007要求更嚴、更安全。因此可以類推出能適用于ISO 13623—2007線路設計的站場調壓系統壓力參數設置模式，應用于GB 50251—2015設計的管道是完全可行的?？紤]到長輸天然氣管道設計壓力一般不會低于4 MPa，因此不再探討低于4 MPa的管道調壓系統壓力參數設定值，參考表2中的設定值可以得出工作調壓閥、監控調壓閥、緊急切斷閥的設定值高限：工作調壓閥設定值 ≤1.025MOP、監控調壓閥設定值≤1.1MOP、緊急切斷閥設定值 ≤1.15MOP。

在EN 12816—2014標準中還明確“當MOP小于設計壓力DP時，可以以設計壓力DP替代MOP為基準確定壓力設定值”，鑒于國內習慣使用設計壓力因素，因此工作調壓閥、監控調壓閥和緊急切斷閥的設定值高限可以轉換為：工作調壓閥設定值≤1.025DP、監控調壓閥設定值 ≤1.1DP、緊急切斷閥設定值 ≤1.15DP。由此可以計算出各常用設計壓力等級時，調壓閥、緊急切斷閥的設定值高限（表7）。

表7 采用常用設計壓力時調壓閥、緊急切斷閥的設定值Tab.7 Set value of pressure regulating valve and emergency shutdown valve in commonly used design pressure MPa

出于安全的考慮，由于國內還沒有相關標準的規定，依據ASME B31.8—2014的要求“當管道內壓引起的管道環向應力低于管道鋼材最小屈服強度的72%時，管道的最大允許工作壓力可以提高10%”，這樣可以將監控調壓閥和緊急切斷閥設定值下調，調整為1.05倍和1.1倍的DP，將工作調壓閥的設定值調整為1.0DP。優化后工作調壓閥、監控調壓閥、緊急切斷閥的設定值為：工作調壓閥設定值≤DP，監控調壓閥設定值 ≤1.05DP，緊急切斷閥設定值 ≤1.1DP。經優化后常用設計壓力等級條件下調壓閥、緊急切斷閥的設定值高限見表8。鑒于目前油氣管道通常應用的壓力變送器均采用0.075級，測量偏差為±0.075%，誤差很小，因此由于測量引起的壓力正偏差可以忽略不計。

表8 優化后調壓閥、緊急切斷閥的設定值Tab.8 Set value of pressure regulating valve and emergency shutdown valve after optimization MPa

另外，在ASME B31.8—2014中還給出了管道安全邊際的要求，即“管道內壓引起的環向應力不能超過鋼材最小屈服強度的75%”，由于GB 50251—2015對管道線路設計的要求大部分參考了美國API標準ASME B31.8—2014的內容，因此可以引用此條款作為GB 50251—2015核定調壓站壓力設定的安全邊際，主要是核算管道線路一級地區，在管道內壓作用下（最大1.1MOP）管道任何位置的環向應力均不應超過鋼材最小屈服強度的75%，如果超過了就要考慮提高該段管道的設計系數（換管）或降低該段管道的最大操作壓力，使之滿足不超過鋼材最小屈服強度75%的要求。

3 結論

（1）依據GB 50251—2015設計的長輸天然氣管道，其上游首站或分輸站的壓力調節系統壓力參數設定值可以按照：工作調壓閥設定值≤分輸站下游管道系統的設計壓力DP、監控調壓閥設定值≤1.05DP、緊急切斷閥設定值 ≤1.1DP的原則進行壓力參數設置，但需保證緊急切斷閥設定值>監控調壓閥設定值>工作調壓閥設定值。

（2）應確保在管道內壓作用下（最大1.1 MOP）管道沿線任何位置的管道環向應力不應超過管道鋼材最小屈服強度的75%。

（3）按上述原則設置的首站或分輸站的調壓系統既能充分發揮和利用下游管道的設計壓力潛能，提供最大的供氣壓力，從而選取合適的管徑，降低工程投資，同時又可確保管道安全、平穩、可靠地運行。

（4）分輸站壓力調節系統的壓力設置也適用于管道壓氣站的出站壓力的設置，設計壓力為10 MPa的多壓氣站輸氣管道，完全可以在10 MPa最大工作壓力下平穩運行。上述分析的管道為新建管道工程，對于運行一定周期的管道，應進行管道內腐蝕檢測和評價，先確定最大工作壓力后再確定相應的設定參數。