中美俄輸氣管道工藝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差異研究

高長(zhǎng)征 劉倩 蔡亮 王宏武 宋雨

1中國(guó)石油華北油田分公司第三采油廠

2中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院

3中國(guó)航油集團(tuán)津京管道運(yùn)輸有限責(zé)任公司

4中國(guó)石油青海油田分公司管道輸油處

5中石油山東天然氣管道有限公司

我國(guó)在中亞建設(shè)運(yùn)營(yíng)多條油氣管道，已成為重要能源的戰(zhàn)略通道[1]。研究國(guó)標(biāo)、美標(biāo)和俄標(biāo)在管道輸送工藝的差異非常重要，包括地區(qū)等級(jí)劃分、壁厚計(jì)算和壓力試驗(yàn)。壁厚是影響管道投資成本的最重要因素，壓力試驗(yàn)是驗(yàn)證管道完整性和機(jī)械強(qiáng)度的可靠手段[2]。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.8—2014《氣體輸送和配送管道系統(tǒng)》被國(guó)際管道行業(yè)公認(rèn)且應(yīng)用廣泛。結(jié)合我國(guó)長(zhǎng)輸管道工程經(jīng)驗(yàn)，借鑒ASME B31.8 先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)與管道行業(yè)相關(guān)的是建筑標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范CHиП、俄羅斯國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ГOCT、設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)CП和部級(jí)標(biāo)準(zhǔn)BCH[3]，例如CHиП 2.05.06—1996《干線管道設(shè)計(jì)規(guī)范》，該標(biāo)準(zhǔn)是1985 年為建設(shè)西伯利亞管道由前蘇聯(lián)建設(shè)部制定，用于指導(dǎo)大型管道設(shè)計(jì)施工，最新為1998年修訂版本。通過(guò)研究國(guó)標(biāo)、美標(biāo)和俄標(biāo)的重要技術(shù)差異，可為中亞新建管道設(shè)計(jì)和在役管道安全運(yùn)行提供參考和指導(dǎo)作用。

1 地區(qū)等級(jí)劃分

地區(qū)等級(jí)劃分是確定管道設(shè)計(jì)系數(shù)的依據(jù)，也是管道設(shè)計(jì)的基本條件。國(guó)標(biāo)、美標(biāo)和俄標(biāo)關(guān)于地區(qū)等級(jí)劃分見(jiàn)表1、表2、表3。

國(guó)標(biāo)和美標(biāo)按照管道沿線人口密度、建筑物數(shù)量等因素劃分地區(qū)等級(jí)，劃分為四個(gè)等級(jí)，國(guó)標(biāo)相對(duì)美標(biāo)更為寬松。國(guó)標(biāo)考慮我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速和人口密度增加的情況，隨著管道運(yùn)行控制技術(shù)提高以及實(shí)施完整性管理措施，管道事故概率總體降低[4]。從管道運(yùn)行管理角度，地區(qū)等級(jí)劃分中戶數(shù)可酌定由100 戶提升至200 戶。俄標(biāo)根據(jù)管段所處位置、類型以及配備的設(shè)備功能等因素，劃分為四個(gè)等級(jí)和B 級(jí)地區(qū)，管段地區(qū)等級(jí)為B、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ時(shí)，管道工作條件系數(shù)為0.6、0.75、0.75、0.9 和0.9，即從Ⅳ級(jí)到Ⅰ級(jí)，管道工作條件系數(shù)逐漸降低，B級(jí)地區(qū)工作系數(shù)最低。從管段類型、重要程度和所處地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，B級(jí)地區(qū)最高，其次是Ⅰ級(jí)地區(qū)。

表1 國(guó)標(biāo)GB 50251關(guān)于地區(qū)等級(jí)劃分的規(guī)定Tab.1 National standard GB 50251 provisions on location classification

表2 美標(biāo)ASME B31.8關(guān)于地區(qū)等級(jí)劃分的規(guī)定Tab.2 American standard ASME B31.8 provisions on location classification

表3 俄標(biāo)CHиП 2.05.06關(guān)于地區(qū)等級(jí)劃分的規(guī)定Tab.3 Russia standard CHиП 2.05.06 provisions on location classification

2 壁厚計(jì)算

2.1 國(guó)標(biāo)GB 50251壁厚計(jì)算

國(guó)標(biāo)GB 50251 規(guī)定，輸氣管道直管段管壁厚度按照式（1）計(jì)算

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

2.2 美標(biāo)ASME B31.8壁厚計(jì)算

美標(biāo)ASME B31.8 規(guī)定，輸氣管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力下的公稱壁厚按式（2）計(jì)算

式中：δn為公稱壁厚，mm；p為設(shè)計(jì)壓力，MPa；DN為公稱外徑，mm；σs為鋼管的最小屈服強(qiáng)度，MPa；F為強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)；Ja為軸向連接系數(shù)；t為溫度折減系數(shù)。

2.3 俄標(biāo)CHиП 2.05.06壁厚計(jì)算

俄標(biāo)SNIP 2.05.06 規(guī)定，管道壁厚按照式（3）和式（4）計(jì)算

式中：δ為管道壁厚，mm；n為載荷（管道內(nèi)壓力）可靠性系數(shù)；p為設(shè)計(jì)壓力，MPa；D為管道外徑，mm；R1為計(jì)算抗拉強(qiáng)度，MPa；m為管道工作條件系數(shù)；kL為材料可靠性系數(shù)；kH為鋼管用途可靠性系數(shù)；為標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度，MPa。

2.4 國(guó)標(biāo)、美標(biāo)、俄標(biāo)壁厚計(jì)算差異

國(guó)標(biāo)和美標(biāo)壁厚計(jì)算方法是相同的，僅部分參數(shù)表述略有差異，國(guó)標(biāo)中焊縫系數(shù)?，在美標(biāo)中是軸向連接系數(shù)Ja，但其物理意義是相同的，因此在相同工況條件下，按照國(guó)標(biāo)和美標(biāo)的壁厚計(jì)算值是相同的。國(guó)標(biāo)壁厚計(jì)算的依據(jù)是鋼管最小屈服強(qiáng)度，俄標(biāo)壁厚計(jì)算的依據(jù)是管材抗拉強(qiáng)度。根據(jù)材料力學(xué)性能可知，抗拉強(qiáng)度大于最小屈服強(qiáng)度[5]，以API Spec5L—2012《管線鋼管規(guī)范》規(guī)定的PSL1等級(jí)X65 鋼管的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為535 MPa，最小屈服強(qiáng)度為450 MPa。這是俄標(biāo)壁厚計(jì)算值較大的原因。

以中亞位于一級(jí)地區(qū)的空曠戈壁地區(qū)某輸氣管道為例，管徑1 067 mm，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，最高工作壓力9.81 MPa，采用X70管線鋼，最低屈服強(qiáng)度483 MPa，最低抗拉強(qiáng)度565 MPa，按照國(guó)標(biāo)、美標(biāo)和俄標(biāo)的壁厚計(jì)算值分別為15.34、15.34 和17.94 mm。

3 壓力試驗(yàn)

3.1 國(guó)標(biāo)GB 50251壓力試驗(yàn)

國(guó)標(biāo)GB 50251 規(guī)定試驗(yàn)介質(zhì)應(yīng)符合下列規(guī)定：①位于一級(jí)1 類地區(qū)采用0.8 強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)的管段應(yīng)采用水作試驗(yàn)介質(zhì)；②位于一級(jí)2類、二級(jí)地區(qū)的管段可采用氣體或水作試驗(yàn)介質(zhì)；③位于三、四級(jí)地區(qū)的管段應(yīng)采用水作試驗(yàn)介質(zhì)；④三、四級(jí)地區(qū)的管段采用空氣作為強(qiáng)度試驗(yàn)的條件是現(xiàn)場(chǎng)最大試驗(yàn)壓力產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力分別小于50%和40%管材最小屈服強(qiáng)度，最大操作壓力不超過(guò)現(xiàn)場(chǎng)最大試驗(yàn)壓力的80%，且試驗(yàn)管段是新管子、焊縫系數(shù)為1.0。國(guó)標(biāo)GB 50251強(qiáng)度試驗(yàn)要求見(jiàn)表4。

表4 國(guó)標(biāo)GB 50251強(qiáng)度試驗(yàn)要求Tab.4 National standard GB 50251 on strength test requirements

3.2 美標(biāo)ASME B31.8壓力試驗(yàn)

美標(biāo)ASME B31.8 規(guī)定試驗(yàn)壓力大于30%管材最小屈服強(qiáng)度的管道干線，應(yīng)進(jìn)行至少2 h 的壓力試驗(yàn)（表5）。

3.3 俄標(biāo)PД 153-39.4p-118壓力試驗(yàn)

表5 美標(biāo)ASME B31.8強(qiáng)度試驗(yàn)要求Tab.5 American standard ASME B31.8 on strength test requirements

3.4 國(guó)標(biāo)、美標(biāo)、俄標(biāo)壓力試驗(yàn)差異

針對(duì)試壓介質(zhì)，國(guó)標(biāo)和美標(biāo)一致。針對(duì)強(qiáng)度試驗(yàn)穩(wěn)壓時(shí)間，國(guó)標(biāo)為4 h，美標(biāo)為2 h。針對(duì)強(qiáng)度試驗(yàn)壓力值，國(guó)標(biāo)和美標(biāo)基本一致，差異在于國(guó)標(biāo)依據(jù)設(shè)計(jì)壓力，美標(biāo)依據(jù)最大操作壓力，一般地，管道的最大操作壓力小于等于設(shè)計(jì)壓力，針對(duì)最小試驗(yàn)壓力值，國(guó)標(biāo)要求略高于美標(biāo)。針對(duì)最大試驗(yàn)壓力值，美標(biāo)規(guī)定強(qiáng)度試驗(yàn)按照壓力-體積圖法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，接近管材屈服強(qiáng)度[6]。國(guó)標(biāo)僅針對(duì)一級(jí)1 類地區(qū)強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)為0.8的管道采用壓力-體積圖法監(jiān)測(cè)，其他地區(qū)等級(jí)管道試壓強(qiáng)度不超過(guò)95%管材屈服強(qiáng)度。因此，從管道應(yīng)用高強(qiáng)度水壓試驗(yàn)角度，國(guó)標(biāo)和美標(biāo)還存在差距。此外，美標(biāo)還給出了按照試驗(yàn)壓力確定最大允許操作壓力的規(guī)定，綜合考慮了最大允許操作壓力和設(shè)計(jì)壓力的邏輯關(guān)系，具有借鑒意義。

氣體試壓可能造成管道長(zhǎng)距離撕裂事故，國(guó)標(biāo)和美標(biāo)嚴(yán)格限定氣體試壓應(yīng)力水平，三級(jí)和四級(jí)地區(qū)最大環(huán)向應(yīng)力分別小于0.5σs和0.4σs。俄羅斯新建油氣管道已不允許使用氣體作為試壓介質(zhì)，包括管道清管、測(cè)徑都不能使用氣體推動(dòng)。中亞天然氣管道A、B、C 線沿線雖然水源匱乏，仍利用河渠水源進(jìn)行水壓試驗(yàn)，包括在冬季采用加熱和保溫措施進(jìn)行水壓試驗(yàn)。針對(duì)試壓介質(zhì)，俄羅斯傾向進(jìn)行水壓試驗(yàn)，即使位于高寒區(qū)管道，也不推薦氣體試壓，這是俄標(biāo)的先進(jìn)之處[7]。

針對(duì)強(qiáng)度試驗(yàn)穩(wěn)壓時(shí)間，俄標(biāo)相對(duì)國(guó)標(biāo)和美標(biāo)更長(zhǎng)，達(dá)到12 h，有助于充分暴露管材裂紋和焊接缺陷。針對(duì)最小試驗(yàn)壓力值，俄標(biāo)依據(jù)工作壓力，這點(diǎn)與國(guó)標(biāo)和美標(biāo)不同。從最大試驗(yàn)壓力值，管道試壓強(qiáng)度最低滿足0.95倍管材標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度。調(diào)研可知，從21 世紀(jì)80 年代至今，俄羅斯管道已普遍進(jìn)行高強(qiáng)度水壓試驗(yàn)，高壓力液體試壓強(qiáng)度可達(dá)1.1倍管材標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度[8]。這也是國(guó)標(biāo)和俄標(biāo)存在的差距。

4 結(jié)論

（1）國(guó)標(biāo)和美標(biāo)按照管道沿線人口密度、建筑物數(shù)量劃分地區(qū)等級(jí)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和管道運(yùn)行控制技術(shù)的提高，地區(qū)等級(jí)中戶數(shù)應(yīng)酌情提高。俄標(biāo)根據(jù)管道所處位置、設(shè)備類型和功能等因素劃分地區(qū)等級(jí)，從管段類型、重要程度和所處地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，B級(jí)地區(qū)最高，其次是Ⅰ級(jí)地區(qū)。

（2）國(guó)標(biāo)和美標(biāo)按照管材屈服強(qiáng)度和管道設(shè)計(jì)壓力計(jì)算管道壁厚，按照國(guó)標(biāo)和美標(biāo)的壁厚計(jì)算值是相同的。俄標(biāo)按照管材抗拉強(qiáng)度和管道工作壓力計(jì)算管道壁厚，按照俄標(biāo)的壁厚計(jì)算值高于國(guó)標(biāo)和美標(biāo)。

（3）管道試壓介質(zhì)、時(shí)間和強(qiáng)度試驗(yàn)壓力值，國(guó)標(biāo)、美標(biāo)和俄標(biāo)存在較大差異。針對(duì)試壓介質(zhì)，國(guó)標(biāo)和美標(biāo)一致，在嚴(yán)格限定應(yīng)力水平條件下允許采用氣體作為試壓介質(zhì)；俄羅斯傾向進(jìn)行水壓試驗(yàn)，即使位于高寒區(qū)管道，也不推薦氣體試壓，這是俄標(biāo)先進(jìn)之處。針對(duì)強(qiáng)度試驗(yàn)穩(wěn)壓時(shí)間，國(guó)標(biāo)為4 h，美標(biāo)為2 h，俄標(biāo)相對(duì)國(guó)標(biāo)和美標(biāo)更長(zhǎng)，達(dá)到12 h，有助于充分暴露管材裂紋和焊接缺陷。針對(duì)強(qiáng)度試驗(yàn)壓力值，國(guó)標(biāo)依據(jù)設(shè)計(jì)壓力，美標(biāo)依據(jù)最大操作壓力，俄標(biāo)依據(jù)工作壓力。針對(duì)最大試壓強(qiáng)度，國(guó)標(biāo)中一級(jí)1 類地區(qū)采用0.8 強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)的管道達(dá)到了管材屈服強(qiáng)度，其他地區(qū)等級(jí)管道試驗(yàn)強(qiáng)度不超過(guò)95%管材屈服強(qiáng)度；美標(biāo)和俄標(biāo)普遍進(jìn)行高強(qiáng)度水壓試驗(yàn)，最大試壓強(qiáng)度達(dá)1.0～1.1 倍管材屈服強(qiáng)度，國(guó)標(biāo)與美標(biāo)和俄標(biāo)存在差距。