張小強,蔣慶梅
(中國石油天然氣管道工程有限公司,河北廊坊 065000)
標準規(guī)范
ASME B31.12標準在國內氫氣長輸管道工程上的應用
張小強,蔣慶梅
(中國石油天然氣管道工程有限公司,河北廊坊065000)
氫氣長輸管道設計技術在國外已經十分成熟,技術標準也相對完善,但在國內卻是空白。介紹了國外氫氣管道標準ASME B31.12在國內某氫氣長輸管道工程的應用情況,從管道選材、管道設計計算、無損檢測和壓力試驗等方面介紹了ASME B31.12標準的技術要求以及具體應用情況,為今后國內氫氣長輸管道的建設可提供一定的借鑒。
氫氣長輸管道;ASME B31.12;管道設計
使用管道對氫氣進行長距離輸送已有60余年的歷史[1],在發(fā)達國家已經具有一定的規(guī)模。1938年,德國魯爾建成最早的氫氣長輸管道,其總長達208 km。歐洲大約有1500 km的低壓氫氣管道,美國現(xiàn)有的氫氣管道超過1400 km。世界最長的氫氣管道位于法國和比利時之間,長約400 km。2014年,中國建成的最長氫氣長輸管道——巴陵石化氫氣長輸管道,全長 42 km。2015年,我國又一條氫氣長輸管道急需設計施工,其主要功能是為石化行業(yè)加氫反應器提供氫氣原料,為進一步擴大石化企業(yè)的產能提供基礎保障。
在國外,氫氣長輸管道技術已經十分成熟,對應的設計標準規(guī)范的研究也比較全面,例如美國的ASME B31.12—2014《Hydrogen Piping and Pipe-lines》[2](以下簡稱ASME B31.12)、歐洲的《Hydrogen Transportation Pipelines》[3](同時也發(fā)表成CGAG-5.6—2005《HydrogenPipeline Systems》[4])等標準。但是在國內,還沒有關于氫氣長輸管道的設計標準規(guī)范,GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》[5]和GB 50177—2005《氫氣站設計規(guī)范》[6]也只能參照執(zhí)行,并不完全適用。因此,本次氫氣長輸管道設計施工主要按照ASME B31.12—2014《Hydrogen Piping and Pipelines》執(zhí)行,本文主要針對ASME B31.12在國內某氫氣長輸管道工程中的執(zhí)行情況進行詳細的論述。
1.1適用范圍
ASME B31.12適用于氫氣管道及配送系統(tǒng),主要包括設計、施工、維護等多方面,可用于氫氣工業(yè)管道和長輸管道。
1.2主要內容
ASME B31.12由四部分組成,分別是通用要求、工業(yè)管道、長輸管道和附錄。
(1)通用要求。
本部分主要介紹標準的基本要求、定義和術語,主要內容包括管道材料、焊接與熱處理、檢測與檢驗、操作與維護。
管道材料主要包括碳鋼、低合金鋼、中合金鋼、不銹鋼、鎳基合金、鋁合金和鈦合金等。對于氫氣長輸管道,管道材料基本全部選擇碳鋼,管道材料性能及制造標準為APISpec 5L[7]。焊接與熱處理部分主要對焊接與熱處理的方法、步驟及檢驗合格標準進行了詳細介紹;檢測與檢驗部分主要介紹了檢測與檢驗方法、要求;最后一部分提出了操作與維護的各種注意事項,包括常規(guī)操作、維護、泄漏檢查、維修等。
(2)工業(yè)管道。
工業(yè)管道部分主要針對的是氫氣的工業(yè)應用領域,包括煉化、加油站、化工、發(fā)電等。工業(yè)管道與長輸管道分屬不同的管道系統(tǒng),與本工程應用無關,本文不再詳細說明。
(3)長輸管道。
長輸管道部分主要針對管材選擇、管道設計、管道敷設與測試等方面提出了要求,重點介紹了管材性能指標要求、管道線路地區(qū)等級劃分標準、管材壁厚計算及設計系數(shù)選取、管件設計與計算、閥室設置、管道敷設檢驗、管道焊接與檢驗、管道清管試壓干燥等。
(4)附錄。
附錄是對標準的前三部分的補充說明。附錄的內容包括強制性目錄9個、非強制性目錄6個。主要包括地上氫氣管道設備設計、ASME引用標準、管道需用應力和質量因數(shù)等。
2015年3月,我國口徑最大的氫氣長輸管道開建,全面進入施工建設期,本文主要從以下幾個方面介紹ASME B31.12標準在該氫氣長輸管道工程中的應用情況。
2.1管材選擇
ASME B31.12中將可用于氫氣長輸管道的材料分為兩大類,分別是ASTM系列和API系列,詳見表1。同時,ASME B31.12中明確要求應用表1中所有材料的管道最大輸送壓力不能大于3000 psi(20.685MPa),除非材料在氫氣環(huán)境中的性能指標滿足ASME BPV Code SectionⅧDivision 3[8]Article KD-10中的要求。另外,對于ASTM A381 Class Y-65和API 5L X65/X70/X80等材料,管道的最大輸送壓力不能大于1500 psi(10.34MPa)。
表1 氫氣長輸管道材料分類匯總
同時,在ASME B31.12的附錄A中指出氫脆現(xiàn)象對材料的強度十分敏感,強度越高、氫脆越嚴重,所以在選擇材料時,不僅要對材料的屈服強度最低值提出要求,還要對材料的屈服強度上限值加以要求。附錄A中還結合歐美地區(qū)已建氫氣長輸管道20多年的安全運營情況,推薦選用ASTM A 106 Grade B,ASTM A53 Grade B,API 5L X42和API 5L X52等鋼級。
結合ASME B31.12中規(guī)定的材料等級以及氫脆的特點,最大限度地降低管道材料對氫的敏感性,在此次氫氣長輸管道工程中選取鋼級較低的API 5L B級(PSL2)鋼管。
2.2設計計算
ASME B31.12中管道壁厚計算公式如下:
式中P——設計壓力,MPa
S——材料屈服強度,MPa,按 ASME B31.12中表IX-1B選取
t——管道壁厚,mm
D——管道外徑,mm
F——設計系數(shù),按 ASME B31.12中表PL-3.7.1-1和表 PL-3.7.1-2中選取
E——焊縫系數(shù),對于新建管道取1.0
T——溫度折減系數(shù),按ASME B31.12中表PL-3.7.1-3選取
Hf——材料性能系數(shù),按ASME B31.12中表IX-5A選取
2.2.1設計系數(shù)
在ASME B31.12中,給出了A/B兩組設計系數(shù)供選擇,具體見表2。
表2 設計系數(shù)F
A組是規(guī)范化的設計系數(shù),管道需按照API 5L附錄G中的要求進行韌性試驗,要求夏比沖擊試驗剪切面積3個試樣平均值不能低于80%(全尺寸試樣)或者85%(非全尺寸試樣),或者落錘試驗剪切面積不小于40%,且要求夏比沖擊功滿足下式的要求:
式中CVN——全尺寸夏比沖擊功,ft-lb
R——管道半徑,in
T——管道壁厚,in
σh——設計壓力條件下的管道環(huán)向應力,ksi
此組設計系數(shù)對管道韌性的要求較API 5L標準偏低,按照API 5L標準生產的管道基本符合要求。
B組是基于管道性能的設計系數(shù),首先,要求管道滿足API 5L PSL2的相關要求;其次,要求置于氫氣環(huán)境中的管道滿足ASME BPV Code SectionⅧDivision 3 Article KD-10中的相關要求;最后,還需要將置于氫氣環(huán)境中按照KD-1040測得的管道材料的KIH值(材料應力強度門檻因子)大于經過計算的KIA值(材料應力強度應用因子)。此組設計系數(shù)是基于管道的實際性能開展的,在數(shù)值上與ASME B31.8[9]基本一致,只是未采用ASME B31.8中一級地區(qū)一類區(qū)域的設計系數(shù)(設計系數(shù)值為0.8)。
相較于天然氣,氫氣對管道會產生氫損傷[10-12]。因此當選取 B組設計系數(shù)時,必須將材料置于氫氣環(huán)境中進行性能測試,當滿足相關要求時,才可以按照天然氣管道的設計系數(shù)進行設計計算。而A組設計系數(shù)未進行相關的性能測試,所以以提高設計系數(shù)來保證管道的安全。B組設計系數(shù)相對A組設計系數(shù)更加精確與節(jié)省管材,但是對材料的性能要求較高,不易完全滿足要求。反之,A組設計系數(shù)相對保守一些,但是操作起來更加簡捷、方便。
2.2.2材料性能系數(shù)
與ASME B31.8相比較,材料性能系數(shù)Hf是ASME B31.12引入的一個新參數(shù),它與設計壓力和管道的屈服強度有關,具體見表3。
表3 材料性能系數(shù)Hf
材料性能系數(shù)也是為了防止氫氣對管道產生氫損傷而適當增加壁厚裕量設置的,設計壓力越高、鋼級越高,氫損傷越嚴重,系數(shù)選取的越小,管道壁厚越大,進而保證管道的安全。值得注意的是,當選用B組設計系數(shù)時,材料性能系數(shù)可取1.0。
2.2.3設計壓力
在ASME B31.12中,明確規(guī)定設計壓力不能高于管道在工廠時試驗壓力的85%,并且要求當工廠試驗壓力產生的管道環(huán)向應力低于管道屈服強度的85%時,管道需進行工廠復驗或者管道安裝后復驗。如果復驗壓力大于原試驗壓力,則設計壓力應不小于復驗壓力的85%。
對設計壓力的規(guī)定是ASME B31.12中特有的,在GB 50251—2015[5]中沒有此項要求,其目的是進一步提高管道的安全。
2.2.4小結
結合國內管道生產質量現(xiàn)狀以及管道的安全性,在此次氫氣長輸管道工程中選取相對保守的A組設計系數(shù),材料性能系數(shù)根據(jù)氫氣長輸管道工程的具體設計壓力和鋼級確定。
2.3無損檢測
ASME B31.12規(guī)定,當管道在環(huán)向應力不小于管道最低屈服強度20%的環(huán)境下運行時,需對焊接接頭進行無損檢測。檢測方法包括射線檢測、超聲波檢測、磁粉檢測或者其他合適的檢測方法。進行無損檢測焊接接頭的最低數(shù)量應為1類地區(qū)的10%、2類地區(qū)的15%、3類地區(qū)的40%、4類地區(qū)的75%。對于穿越主要公路、鐵路以及河流的管道,如果可行,則需進行焊接接頭的100%檢測,但在任何情況下不允許少于焊縫的90%。所有未經過試壓的焊接接頭均應進行100%檢測。
ASME B31.8中關于無損檢測的要求與ASME B31.12基本一致。GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》規(guī)定,對所有焊接接頭進行100%無損檢測,首選射線和超聲波,焊縫表面可用磁粉或液體滲透檢測。對焊接接頭進行100%超聲波檢測后,應按一定比例進行射線復測,復測比例為1類地區(qū)的5%、2類地區(qū)的10%、3類地區(qū)的15%、4類地區(qū)的20%。對于主要公路、鐵路、河流的管道焊接接頭,彎頭與直管段焊接接頭以及未經試壓的管道焊接接頭,均應進行100%射線檢測。
對比以上的檢測要求可以看出,GB 50251—2015比ASME B31.12要嚴格得多。結合本次氫氣長輸管道工程施工現(xiàn)場的檢測條件和水平,選用要求更加嚴格的GB 50251—2015作為無損檢測的執(zhí)行標準。
2.4壓力試驗
ASME B31.12規(guī)定,管道需至少以最高允許操作壓力150%的試驗壓力進行壓力試驗,持續(xù)時間至少為2 h,試驗介質建議用水。對于高等級道路、鐵路等穿越區(qū)段,需單獨試壓,試壓要求與線路段相同。處于3,4類地區(qū)的管道,可以采用氣體進行試壓,但是需要滿足如下條件:試壓時最大環(huán)向應力在3類地區(qū)時不大于屈服強度的50%、4類地區(qū)40%;同時要求管道的最大操作壓力不大于現(xiàn)場最大試驗壓力的80%,管道必須是新管道,且焊縫系數(shù)為1.0。
ASME B31.12中也規(guī)定管道需進行泄漏試驗,檢查出所有泄漏點,試驗壓力、試驗時間未明確。如果管道以氣體作為介質進行強度試驗,并且環(huán)向應力超過屈服強度的20%時,管道在進行泄漏試驗時需將壓力由100 psi升至使管道環(huán)向應力為屈服強度的20%的壓力值,并且升壓時間至少為10 min,或者將壓力升至使管道環(huán)向應力為屈服強度的20%的壓力值,應用泄漏探測器對管道全線進行泄漏檢測。
ASME B31.12中的強度壓力試驗壓力值未按地區(qū)等級區(qū)分,全部是1.5倍最大操作壓力,此項要求比ASME B31.8和GB 50251—2015要嚴格。所以本次氫氣管道工程的強度壓力試驗壓力值按此規(guī)定執(zhí)行,但是持續(xù)時間采取GB 50251—2015中的4 h。ASME B31.12中對泄漏性試壓未做明確要求,不易操作,在本次氫氣管道工程中采用GB 50251—2015中的試壓方法進行,即在管道最大允許操作壓力條件下穩(wěn)壓24 h,以不泄漏為合格。
(1)ASME B31.12是國際上第一部關于氫氣管道的標準,適用范圍比較廣泛,涵蓋輸送氫氣的工業(yè)管道和長輸管道。
(2)在管道材料選擇方面,ASME B 31.12作出了嚴格的規(guī)定,并且結合工程實際給出了推薦管道材料。
(3)在管道設計計算方面,ASME B 31.12全面考慮了氫氣對管道的損傷影響,分別從材料性能系數(shù)、設計系數(shù)等方面加以限制,以保證管道的安全。
(4)在管道檢測和試壓方面,ASME B31.12與ASME B31.8基本一致,相對GB 50251—2015比較寬松,國內的氫氣長輸管道工程建議參照GB 50251—2015執(zhí)行。
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[10]蔣慶梅,張小強.氫氣與天然氣長輸管道線路設計ASME標準對比分析[J].壓力容器,2015,32(8):44-49.
[11]何仁洋,欒湘東,張慶春,等.壓力管道安全完整性技術法規(guī)與標準體系研究[J].壓力容器,2012,29(7):44-50.
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Application of ASME B31.12 in a Domestic Long Distance Hydrogen Pipeline Project
ZHANG Xiao-qiang,JIANG Qing-mei
(China Petroleum Pipeline Engineering Corporation,Langfang 065000,China)
The design technique of long distance hydrogen pipeline project is verymature abroad,and the technical standards is comprehensive,but it is a blank in China.The application of ASME B31.12 in a domestic hydrogen pipeline project from the pipematerial,pipe design calculation,nondestructive testing and pressure testingwas described.These requirements and applications can provide a reference for future long distance hydrogen pipeline construction in China.
long distance hydrogen pipeline;ASME B31.12;pipeline design
TH122;T-65;TQ055.8
B
1001-4837(2015)11-0047-05
10.3969/j.issn.1001-4837.2015.11.008
2015-08-11
張小強(1985-),男,工程師,主要從事油氣長輸管道設計及焊接工藝研究工作,通信地址:065000河北省廊坊市和平路146號中國石油天然氣管道工程有限公司管道設計院線路室,E-mail:xqzhangcppe@cnpc.com. cn,414981210@qq.com。