祝疆 陳敬民

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司

前蘇聯(lián)大型管道標(biāo)準(zhǔn)在南約洛坦天然氣外輸工程中的應(yīng)用

祝疆 陳敬民

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司

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

土庫(kù)曼斯坦國(guó)家輸氣管道的管徑為1 420 mm且油氣工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)大部分依然沿用前蘇聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)。為此，從管道強(qiáng)度計(jì)算、閥室設(shè)置、公路和鐵路穿越3方面討論了前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)СНиП2.05.06—85《大型管道》在中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司南約洛坦天然氣外輸工程的應(yīng)用，并比較了該標(biāo)準(zhǔn)與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》在壁厚選擇、閥室設(shè)置方面的主要差異，得出以下工程建議：①管道壁厚計(jì)算取用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度計(jì)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(shè)置按照СНиП2.05.06—85《大型管道》來(lái)進(jìn)行，符合管道沿線的實(shí)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(kù)曼斯坦國(guó)家習(xí)慣性的穿越做法，有利于本工程的設(shè)計(jì)審查通過與建設(shè)；④在使用СНиП2.05.06—85《大型管道》進(jìn)行管道強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，內(nèi)壓超載系數(shù)的選取很重要，對(duì)于計(jì)算結(jié)果有較大影響；⑤若工程采用俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)制造的鋼管，其屈服強(qiáng)度可能與API 5L標(biāo)準(zhǔn)有區(qū)別，可根據(jù)實(shí)際鋼材的屈服強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算并校核；⑥管型選擇與焊縫工藝均對(duì)壁厚產(chǎn)生影響；⑦《大型管道》中管段等級(jí)與中國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的地區(qū)等級(jí)正好相反，應(yīng)予以注意。

土庫(kù)曼斯坦 南約洛坦 天然氣 大型管道 DN1420 mm 管道強(qiáng)度計(jì)算 閥室設(shè)置 公路和鐵路穿越

土庫(kù)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(chǎn)品氣規(guī)?？蛇_(dá)400×108m3／a，其中由中國(guó)石油川慶鉆探工程公司中標(biāo)承擔(dān)的南約洛坦EPC項(xiàng)目為100×108m3／a規(guī)模的地面建設(shè)配套工程，是中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司最大的海外整裝氣田開發(fā)EPCC項(xiàng)目，共包括集輸、凈化及外輸3大部分以及相關(guān)配套工程。其中天然氣外輸工程將在土庫(kù)曼斯坦沙漠腹地修建一條長(zhǎng)約110 km、管徑為1 420 mm的輸氣管道。工程業(yè)主為土庫(kù)曼斯坦天然氣康采恩，即土庫(kù)曼斯坦國(guó)家石油公司。土庫(kù)曼斯坦的國(guó)家輸氣管網(wǎng)已廣泛采用管徑為1 420 mm的管道進(jìn)行建設(shè)，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(shí)要求設(shè)計(jì)中采用土庫(kù)曼斯坦國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

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

由于我國(guó)目前輸氣管道的最大管徑為1 219 mm，尚無(wú)管徑為1 420 mm的管道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。工程首次使用СНиП2.05.06—85《大型管道》進(jìn)行設(shè)計(jì)，為此，南約洛坦設(shè)計(jì)項(xiàng)目組在中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司專家組的大力支持下進(jìn)行了積極有效的工作，將前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)《大型管道》與國(guó)內(nèi)天然氣管道建設(shè)規(guī)范進(jìn)行了比較與結(jié)合，得出了新的工程應(yīng)用方法。

以下將從管道強(qiáng)度計(jì)算、閥室設(shè)置、公路和鐵路穿越3方面進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用分析。

1 管道強(qiáng)度計(jì)算

南約洛坦天然氣外輸工程長(zhǎng)約110 km，管道管徑為1 420 mm，設(shè)計(jì)壓力為7.5 MPa，材質(zhì)采用X70。

管道強(qiáng)度計(jì)算考慮了管道所承受的正常內(nèi)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(diǎn)。

1.1 采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算管道壁厚

采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］計(jì)算管道壁厚的公式為：

式中δ為鋼管計(jì)算壁厚，mm；p為設(shè)計(jì)壓力，MPa；D為鋼管外徑，mm；σs為鋼管為最小屈服強(qiáng)度，MPa；φ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)，t值取1.0。

該公式源自于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)理念，以第三強(qiáng)度理論按照材料的屈服極限來(lái)進(jìn)行計(jì)算。該公式計(jì)算簡(jiǎn)便，被歐美國(guó)家廣泛采用，也在我國(guó)長(zhǎng)輸管道建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。在此筆者不作過多說明，現(xiàn)將結(jié)果列于表1。

表1 線路用管計(jì)算表

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

本工程直管段管道壁厚（δ）應(yīng)按下式確定：

式中n為管道工作內(nèi)壓超載系數(shù)；p為工作（標(biāo)準(zhǔn)）壓力，MPa；DH為管道外徑，cm；R1為計(jì)算的抗拉強(qiáng)度。

該公式基于安全距離的理論，雖對(duì)管道系統(tǒng)強(qiáng)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(duì)周圍建構(gòu)筑物提供安全保證。本項(xiàng)目管道地處沙漠腹地，地廣人稀。

現(xiàn)對(duì)該公式中的各個(gè)參數(shù)逐一介紹：

1）n為管道工作內(nèi)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(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮管道施工、試壓和運(yùn)行過程中可能產(chǎn)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(shè)，考慮到管道和附件的自重，n值取為1.10。

2）p為工作（標(biāo)準(zhǔn)）壓力，是保證管道安全運(yùn)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(jì)算的抗拉強(qiáng)度R1，這個(gè)參數(shù)和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有所不同，采用的是極限承載能力，按照材料的強(qiáng)度極限來(lái)計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中m為管道工作條件系數(shù)，當(dāng)管道及管段等級(jí)分別為B、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ時(shí)，對(duì)應(yīng)的m 值分別為0.60、0.75、0.75、0.90、0.90（與中國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的地區(qū)等級(jí)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(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度（抗壓強(qiáng)度）RH1，應(yīng)分別等于中國(guó)國(guó)家鋼管標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件中所列極限強(qiáng)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(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果見表5。

1.3 推薦意見

通過表1和表5的計(jì)算結(jié)果可以看出，在中國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所述的一二級(jí)地區(qū)用管，采用ASME／ANSI B31.8的公式計(jì)算出來(lái)的管道壁厚較?。?］，在三四級(jí)地區(qū)用管所計(jì)算出來(lái)的管道壁厚較厚。因此，從管道安全和滿足土庫(kù)曼斯坦國(guó)家規(guī)范兩個(gè)方面考慮，綜合表1和表5的計(jì)算結(jié)果，最終線路用管選擇如下：設(shè)計(jì)壓力為7.5 MPa時(shí)，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(nèi)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(jì)算表

2 閥室設(shè)置

1）GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中“4.4截?cái)嚅y的設(shè)置”中規(guī)定，一級(jí)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(shè)置截?cái)嚅y，其設(shè)置距離通過計(jì)算確定，但不超過30 km，與氣體綜合處理裝置、壓縮機(jī)站、地下儲(chǔ)氣庫(kù)和首站設(shè)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(shè)，地廣人稀，因此，在閥室設(shè)置的距離上采用《大型管道》的規(guī)定，不超過30 km設(shè)置一座閥室，同時(shí)在進(jìn)出站1 km處設(shè)置進(jìn)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(duì)管道穿越公路和鐵路有較為詳細(xì)的說明，與中國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范的穿越要求略有不同［6－10］。從尊重當(dāng)?shù)亓?xí)慣做法的角度考慮，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(hù)套管采用鋼套管，而中國(guó)在管道建設(shè)時(shí)，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(shí)，鋼套管會(huì)發(fā)生腐蝕而失效，失去保護(hù)輸氣管道的作用；②如果鋼套管采用防腐層時(shí)，有防腐層的鋼套管會(huì)對(duì)其內(nèi)的輸氣管道產(chǎn)生陰極保護(hù)屏蔽，輸氣管道就得不到陰極保護(hù)，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(yīng)土方要求而被迫改成鋼套管。

4 結(jié)論

1）管道壁厚計(jì)算取用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》和前蘇聯(lián)管道標(biāo)準(zhǔn)СНиП 2.05.06—85《大型管道》強(qiáng)度計(jì)算值中的保守值，這樣管道壁厚既能滿足上述2個(gè)規(guī)范的要求，又能保證管道安全。

2）閥室設(shè)置按照СНиП2.05.06—85《大型管道》來(lái)進(jìn)行，符合管道沿線的實(shí)際情況，同時(shí)也符合中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(kù)曼斯坦國(guó)家習(xí)慣性的穿越做法，利于本工程的設(shè)計(jì)審查通過與建設(shè)。

4）注意要點(diǎn)：在使用СНиП2.05.06—85《大型管道》進(jìn)行管道強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，內(nèi)壓超載系數(shù)的選取很重要，對(duì)于計(jì)算結(jié)果有較大影響；若工程采用俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)制造的鋼管，其屈服強(qiáng)度可能與API 5L標(biāo)準(zhǔn)有區(qū)別，可根據(jù)實(shí)際鋼材的屈服強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算并校核；管型選擇與焊縫工藝均對(duì)壁厚產(chǎn)生影響；《大型管道》中管段等級(jí)與中國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的地區(qū)等級(jí)正好相反，應(yīng)予以注意。

［1］蘇聯(lián)國(guó)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(shè)設(shè)計(jì)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).GB 50251—2003輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

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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(xué)士；主要從事天然氣儲(chǔ)運(yùn)工程設(shè)計(jì)工作。地址：（610017）四川省成都市中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司油氣集輸室。電話：（028）86014784，13086685722。E-mail：zhujiang＠cnpc.com.cn