基于可靠性方法的輸氣管道設計系數選擇探討

王宏召 托 博 姜 旭 蔡 亮 張瀟涵

（1. 中交城市能源研究設計院有限公司，遼寧 沈陽 110026；2. 廊坊中油朗威工程項目管理有限公司，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. 甘肅中石油昆侖燃氣工程設計（咨詢）有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

天然氣在優化能源結構及促進經濟發展中具有優越性。建設大口徑、高鋼級、高壓力輸氣管道更為經濟，國內外以X80鋼級作為新建輸氣管道的優選鋼級。我國天然氣管道依據強度應力準則，輸氣管道1級地區采用0.72設計系數，不能充分發揮管材性能[1]。設計系數旨在是將管材制造、施工、運行等方面的不確定性集中表征為單一經驗性系數。隨著冶金制管工藝水平提高，以及管道施工運行技術進步，提出了輸氣管道1級地區采用0.8設計系數的設想。國外輸氣管道采用0.8設計系數獲得巨大效益，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用基于可靠性管道設計方法，可作為評價設計系數適用性的依據。借鑒可靠性理論方法，研究高鋼級管道設計系數適用性具有重要意義。

1 標準規范中管道設計系數規定

美國輸氣管道采用0.8設計系數已納入標準規范，ASME B31.8-2014《氣體管道和燃氣管道系統》規定1級1類地區設計系數是0.8，1級2類地區設計系數是0.72。1級地區含義是在規定的1.6km管段內有人定居的建筑物≤10個，主要是戈壁、沙漠、山區等人煙稀少地區，但未給出1類和2類地區的實際意義。20世紀60年代加拿大輸氣管道已采用0.8設計系數，CSA Z662-2015《油氣管線系統》規定長輸管道壁厚計算中設計系數取值0.8。國際標準ISO 13623-2009《管道輸送系統》規定1級地區設計系數是0.83。

國標GB 50251-2015《輸氣管道工程設計規范》要求1級1類地區（極少有人活動和無人員居住區域）設計系數是0.8，1級2類地區（人口密度小于15戶區域）設計系數是0.72；2級、3級、4級地區設計系數分別是0.8、0.72、0.6、0.5和0.4，2級地區指人口密度在15戶至100戶的區域；3級地區指人口密度大于100戶的區域；4級地區指人口、建筑物高度集中、交通繁忙、埋地設施密集的區域。GB 50251在地區等級劃分和設計系數與ASME B31.8基本相同，人口密度考慮我國實際情況略有調整，解決了我國地質環境多樣化、人口密集、管道建設安全距離難以保證等問題。

2 管道設計系數涵義及應用局限性

輸氣管道設計是依據第三強度理論的基于應力的準則，即管道輸送壓力造成的環向應力值不超過鋼管許用應力，環向應力表示為管材最小屈服強度（Specified Minimum Yield Strength，SMYS）乘以設計系數，如式（1）所示。

式中σ管壁環向應力，MPa；p管道輸送壓力，MPa；D管徑，m；t壁厚，m；[σ]管材許用應力，MPa；F設計系數；σy管材最小屈服強度，MPa。

水壓試驗是確定管道最大運行壓力（Maximum Allowable Operating Pressure，MAOP）的重要技術手段。上世紀鋼管出廠前水壓試驗強度不允許超過0.9 SMYS，運行壓力考慮0.8富余量，管道環向應力最高是0.72SMYS，即采用0.72設計系數。隨著大強度水壓試驗推廣，試壓強度已超過管材最小屈服強度，提出將管道設計系數提高至0.8的建議。現行標準中根據地區等級選取設計系數，認為管道潛在危害與人口密度相關，但人口密度直接影響管道失效后果，風險等于概率與后果的乘積，現行設計系數是不全面的。隨著管道制造、施工和運行技術進步，應借鑒可靠性理論方法對設計系數進行評估。

3 基于可靠性的設計方法

基于可靠性的設計方法基本思想是計算管道極限狀態下載荷，定量分析影響因素及程度，與基于應力準則的傳統方法相比，避免不合理或過于保守設計。國際標準ISO 16708-2006《管道輸送系統-基于可靠性的極限狀態方法》，在管道通過地震斷裂帶進行了應用。中石油開展課題“天然氣管道基于可靠性的設計和評價方法研究”，結合我國管道設計施工運行實踐，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價方法。利用可靠性設計方法評估設計系數的思路是收集大量輸氣管道設計案例，滿足目標可靠度條件下反算設計系數，并與標準規范的設計系數對比。

收集國內約3.5萬km輸氣管道200多項設計案例，涵蓋4個地區等級、5種壓力等級（4MPa、6.4MPa、8MPa、10MPa和12MPa）、5種鋼級（X52、X60、X65、X70和X80）和9種管徑（323mm、426mm、508mm、610mm、660mm、711mm、813mm、1016mm、1219mm）。目標可靠度是管道基于可靠性設計的評價準則，綜合考慮中國天然氣管道行業的社會風險水平、期望社會風險水平和個體風險水平，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目標可靠度計算模型如下：

式中RT目標可靠度，無因次；ρ人口密度，人/公頃；P設計壓力，MPa；D管徑，mm。

GB 50251-2015《輸氣管道工程設計規范》要求輸氣管道壁厚值根據式（3）計算。

式中δ管道壁厚值，mm；P運行壓力值，MPa；D管徑，mm；sσ管材最小屈服強度，MPa；?焊縫系數；F設計系數；t溫度折減系數。

根據國標GB 50251中壁厚計算方法，以及天然氣管道極限狀態目標可靠度計算模型，統計分析國內管道案例對應的設計系數，基于可靠性的設計方法對應的設計系數規律如下：

（1）針對323mm、426mm和508mm小管徑管道，一級、二級、三級、四級地區設計系數分別為0.62、0.55、0.5和0.45，整體上小于GB 50251中規定的設計系數；

（2）針對610mm和660mm中等管徑管道，一級、二級、三級、四級地區設計系數分別為0.72、0.65、0.6和0.55，整體上與GB 50251中規定的設計系數相當；

（3）針對711mm、813mm、1016mm和1219mm大管徑管道，一級、二級、三級、四級地區設計系數分別為0.8、0.72、0.65和0.6，整體上大于GB 50251中規定的設計系數。

4 結語

通過開展國內外管道設計標準差異分析，計算分析基于可靠性方法計算國內管道案例的設計系數，結論如下：

（1）隨著制管工藝和管道施工、運行、維護技術進步，X80管線鋼管的屈服強度、斷裂韌性和可焊接線等性能顯著提升，高鋼級輸氣管道具備更強的抗風險能力，傳統的基于許用應力的設計方法的合理性值得商榷，基于可靠性的設計方法綜合考慮管道系統失效概率和后果，更為科學合理；

（2）隨著輸氣管道大口徑、高鋼級、高壓力的趨勢，基于可靠性的設計方法對應的設計系數大于GB 50251中規定的設計系數，設計壁厚偏于保守；

（3）輸氣管道一級地區宜考慮采用0.8設計系數，降低管道建設投資，提高經濟性；針對山區、水網等特殊環境管段進行應力校核，并評估增大設計系數對管道系統運行風險的影響。