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

0　引言

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　ASME B31.12簡介

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。

2　ASME B31.12標準的應用

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。

3　結語

（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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［5］GB 50251—2015，輸氣管道工程設計規(guī)范［S］.

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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.

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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。