中美俄輸氣管道工藝設計標準差異研究

高長征 劉倩 蔡亮 王宏武 宋雨

1中國石油華北油田分公司第三采油廠

2中國石油勘探開發(fā)研究院

3中國航油集團津京管道運輸有限責任公司

4中國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

我國在中亞建設運營多條油氣管道，已成為重要能源的戰(zhàn)略通道[1]。研究國標、美標和俄標在管道輸送工藝的差異非常重要，包括地區(qū)等級劃分、壁厚計算和壓力試驗。壁厚是影響管道投資成本的最重要因素，壓力試驗是驗證管道完整性和機械強度的可靠手段[2]。美國標準ASME B31.8—2014《氣體輸送和配送管道系統(tǒng)》被國際管道行業(yè)公認且應用廣泛。結合我國長輸管道工程經驗，借鑒ASME B31.8 先進經驗，制定了國家標準GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》。俄羅斯標準與管道行業(yè)相關的是建筑標準規(guī)范CHиП、俄羅斯國家標準ГOCT、設計施工標準CП和部級標準BCH[3]，例如CHиП 2.05.06—1996《干線管道設計規(guī)范》，該標準是1985 年為建設西伯利亞管道由前蘇聯(lián)建設部制定，用于指導大型管道設計施工，最新為1998年修訂版本。通過研究國標、美標和俄標的重要技術差異，可為中亞新建管道設計和在役管道安全運行提供參考和指導作用。

1 地區(qū)等級劃分

地區(qū)等級劃分是確定管道設計系數的依據，也是管道設計的基本條件。國標、美標和俄標關于地區(qū)等級劃分見表1、表2、表3。

國標和美標按照管道沿線人口密度、建筑物數量等因素劃分地區(qū)等級，劃分為四個等級，國標相對美標更為寬松。國標考慮我國社會經濟發(fā)展迅速和人口密度增加的情況，隨著管道運行控制技術提高以及實施完整性管理措施，管道事故概率總體降低[4]。從管道運行管理角度，地區(qū)等級劃分中戶數可酌定由100 戶提升至200 戶。俄標根據管段所處位置、類型以及配備的設備功能等因素，劃分為四個等級和B 級地區(qū)，管段地區(qū)等級為B、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ時，管道工作條件系數為0.6、0.75、0.75、0.9 和0.9，即從Ⅳ級到Ⅰ級，管道工作條件系數逐漸降低，B級地區(qū)工作系數最低。從管段類型、重要程度和所處地區(qū)風險等級，B級地區(qū)最高，其次是Ⅰ級地區(qū)。

表1 國標GB 50251關于地區(qū)等級劃分的規(guī)定Tab.1 National standard GB 50251 provisions on location classification

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

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

2 壁厚計算

2.1 國標GB 50251壁厚計算

國標GB 50251 規(guī)定，輸氣管道直管段管壁厚度按照式（1）計算

式中：δ為鋼管計算壁厚，mm；p設計壓力，MPa；D為鋼管外徑，mm；σs為鋼管的最小屈服強度，MPa；?為焊縫系數；F為強度設計系數；t為溫度折減系數，當溫度小于120 ℃時，取值1.0。

2.2 美標ASME B31.8壁厚計算

美標ASME B31.8 規(guī)定，輸氣管道系統(tǒng)設計壓力下的公稱壁厚按式（2）計算

式中：δn為公稱壁厚，mm；p為設計壓力，MPa；DN為公稱外徑，mm；σs為鋼管的最小屈服強度，MPa；F為強度設計系數；Ja為軸向連接系數；t為溫度折減系數。

2.3 俄標CHиП 2.05.06壁厚計算

俄標SNIP 2.05.06 規(guī)定，管道壁厚按照式（3）和式（4）計算

式中：δ為管道壁厚，mm；n為載荷（管道內壓力）可靠性系數；p為設計壓力，MPa；D為管道外徑，mm；R1為計算抗拉強度，MPa；m為管道工作條件系數；kL為材料可靠性系數；kH為鋼管用途可靠性系數；為標準抗拉強度，MPa。

2.4 國標、美標、俄標壁厚計算差異

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

以中亞位于一級地區(qū)的空曠戈壁地區(qū)某輸氣管道為例，管徑1 067 mm，設計壓力10 MPa，最高工作壓力9.81 MPa，采用X70管線鋼，最低屈服強度483 MPa，最低抗拉強度565 MPa，按照國標、美標和俄標的壁厚計算值分別為15.34、15.34 和17.94 mm。

3 壓力試驗

3.1 國標GB 50251壓力試驗

國標GB 50251 規(guī)定試驗介質應符合下列規(guī)定：①位于一級1 類地區(qū)采用0.8 強度設計系數的管段應采用水作試驗介質；②位于一級2類、二級地區(qū)的管段可采用氣體或水作試驗介質；③位于三、四級地區(qū)的管段應采用水作試驗介質；④三、四級地區(qū)的管段采用空氣作為強度試驗的條件是現(xiàn)場最大試驗壓力產生的環(huán)向應力分別小于50%和40%管材最小屈服強度，最大操作壓力不超過現(xiàn)場最大試驗壓力的80%，且試驗管段是新管子、焊縫系數為1.0。國標GB 50251強度試驗要求見表4。

表4 國標GB 50251強度試驗要求Tab.4 National standard GB 50251 on strength test requirements

3.2 美標ASME B31.8壓力試驗

美標ASME B31.8 規(guī)定試驗壓力大于30%管材最小屈服強度的管道干線，應進行至少2 h 的壓力試驗（表5）。

3.3 俄標PД 153-39.4p-118壓力試驗

表5 美標ASME B31.8強度試驗要求Tab.5 American standard ASME B31.8 on strength test requirements

3.4 國標、美標、俄標壓力試驗差異

針對試壓介質，國標和美標一致。針對強度試驗穩(wěn)壓時間，國標為4 h，美標為2 h。針對強度試驗壓力值，國標和美標基本一致，差異在于國標依據設計壓力，美標依據最大操作壓力，一般地，管道的最大操作壓力小于等于設計壓力，針對最小試驗壓力值，國標要求略高于美標。針對最大試驗壓力值，美標規(guī)定強度試驗按照壓力-體積圖法進行監(jiān)測，接近管材屈服強度[6]。國標僅針對一級1 類地區(qū)強度設計系數為0.8的管道采用壓力-體積圖法監(jiān)測，其他地區(qū)等級管道試壓強度不超過95%管材屈服強度。因此，從管道應用高強度水壓試驗角度，國標和美標還存在差距。此外，美標還給出了按照試驗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計壓力的邏輯關系，具有借鑒意義。

氣體試壓可能造成管道長距離撕裂事故，國標和美標嚴格限定氣體試壓應力水平，三級和四級地區(qū)最大環(huán)向應力分別小于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，包括管道清管、測徑都不能使用氣體推動。中亞天然氣管道A、B、C 線沿線雖然水源匱乏，仍利用河渠水源進行水壓試驗，包括在冬季采用加熱和保溫措施進行水壓試驗。針對試壓介質，俄羅斯傾向進行水壓試驗，即使位于高寒區(qū)管道，也不推薦氣體試壓，這是俄標的先進之處[7]。

針對強度試驗穩(wěn)壓時間，俄標相對國標和美標更長，達到12 h，有助于充分暴露管材裂紋和焊接缺陷。針對最小試驗壓力值，俄標依據工作壓力，這點與國標和美標不同。從最大試驗壓力值，管道試壓強度最低滿足0.95倍管材標準屈服強度。調研可知，從21 世紀80 年代至今，俄羅斯管道已普遍進行高強度水壓試驗，高壓力液體試壓強度可達1.1倍管材標準屈服強度[8]。這也是國標和俄標存在的差距。

4 結論

（1）國標和美標按照管道沿線人口密度、建筑物數量劃分地區(qū)等級，隨著我國經濟快速發(fā)展和管道運行控制技術的提高，地區(qū)等級中戶數應酌情提高。俄標根據管道所處位置、設備類型和功能等因素劃分地區(qū)等級，從管段類型、重要程度和所處地區(qū)風險等級，B級地區(qū)最高，其次是Ⅰ級地區(qū)。

（2）國標和美標按照管材屈服強度和管道設計壓力計算管道壁厚，按照國標和美標的壁厚計算值是相同的。俄標按照管材抗拉強度和管道工作壓力計算管道壁厚，按照俄標的壁厚計算值高于國標和美標。

（3）管道試壓介質、時間和強度試驗壓力值，國標、美標和俄標存在較大差異。針對試壓介質，國標和美標一致，在嚴格限定應力水平條件下允許采用氣體作為試壓介質；俄羅斯傾向進行水壓試驗，即使位于高寒區(qū)管道，也不推薦氣體試壓，這是俄標先進之處。針對強度試驗穩(wěn)壓時間，國標為4 h，美標為2 h，俄標相對國標和美標更長，達到12 h，有助于充分暴露管材裂紋和焊接缺陷。針對強度試驗壓力值，國標依據設計壓力，美標依據最大操作壓力，俄標依據工作壓力。針對最大試壓強度，國標中一級1 類地區(qū)采用0.8 強度設計系數的管道達到了管材屈服強度，其他地區(qū)等級管道試驗強度不超過95%管材屈服強度；美標和俄標普遍進行高強度水壓試驗，最大試壓強度達1.0～1.1 倍管材屈服強度，國標與美標和俄標存在差距。