張 一 蔡 亮 張玉蛟

（1. 中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101；2. 中國航油集團津京管道運輸有限責(zé)任公司，天津 300300；3. 中國石油管道公司，河北 廊坊 065000）

0 概述

我國長輸管道正處于快速發(fā)展階段，截止2016年底，我國在役陸上油氣管道總里程超過12.3萬公里[1]。山區(qū)管道與普通陸地管道在管道設(shè)計和施工階段存在很大差異，特別是大落差山區(qū)管道，例如中石油西部管道最大落差達1300m；中緬油氣管道是我國設(shè)計施工難度最大的山區(qū)管道，沿線高差大于1000m的管段有10處，最大高差為1800m。山區(qū)管道設(shè)計施工涉及管道并行敷設(shè)、穿跨越、隧道、油氣站場合建、地質(zhì)災(zāi)害防治、管道抗震等方面，提升我國山區(qū)管道設(shè)計和施工水平具有重要意義。為此，應(yīng)根據(jù)我國管道工程實踐，研究國外山區(qū)管道在設(shè)計和施工等方面先進經(jīng)驗，進而完善山區(qū)管道工程建設(shè)標準，并為我國以后新建山區(qū)管道提供借鑒參考。

1 管道設(shè)計系數(shù)

管道壁厚設(shè)計如選用較高的設(shè)計系數(shù)，可以充分利用管道承壓能力，提高管道輸送量，減少管道建設(shè)成本[2]。按照管道地區(qū)等級劃分，山區(qū)劃為1級地區(qū)。國家標準GB 50251《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定1級地區(qū)管道設(shè)計系數(shù)為0.72；美國標準ASME B31.8《輸氣和燃氣管道系統(tǒng)》規(guī)定1級地區(qū)Ⅰ類和Ⅱ類管道設(shè)計系數(shù)為0.80和0.72，國外山區(qū)管道設(shè)計系數(shù)高于國內(nèi)標準。調(diào)研北美Alliance管線、Rockies Express管線和Alaska NG 管線已采用0.80-0.83的管道設(shè)計系數(shù)；加拿大TransCanada公司采用高于0.77設(shè)計系數(shù)的管道已超過18000km[3]。建議山區(qū)管道在滿足制管水平、施工工藝和地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，酌情提高管道設(shè)計系數(shù)至0.8。

2 線路閥室設(shè)計

針對線路閥室間距設(shè)計，GB 50251規(guī)定位于一級、二級、三級和四級地區(qū)的管道相鄰截斷閥的間距不宜大于32km、24km、16km和8km，如選址受限，間距調(diào)整不應(yīng)超過4km、3km、2km和1km；GB 50253《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定原油、成品油管道截斷閥的間距不宜超過32km，人煙稀少地區(qū)可適當加大間距。美國標準規(guī)定的閥室間距與國內(nèi)標準一致，美國標準ASME B31.4《液態(tài)烴和其他液體管道輸送系統(tǒng)》規(guī)定在山區(qū)、穿越河流，以及穿越工商業(yè)、第三方施工頻繁區(qū)域和人口密集區(qū)等特殊情形下，輸油管道截斷閥室間距允許適當調(diào)整；加拿大標準CSA Z662《石油和天然氣管道系統(tǒng)》未對原油管道截斷閥的間距進行明確要求，原油、成品油管道截斷閥室間距允許在10%規(guī)定范圍內(nèi)進行調(diào)整，天然氣管道截斷閥室間距允許在25%規(guī)定范圍內(nèi)進行調(diào)整。我國管道一般按照規(guī)定間距設(shè)計閥室，缺乏靈活性且對運行維護造成不便。隨著管道運行管理技術(shù)提升，管道事故概率總體呈下降趨勢，在人口稀少的山區(qū)管道線路閥室可增加到32km以上。建議借鑒國外標準關(guān)于截斷閥室間距調(diào)整的先進經(jīng)驗。

針對線路閥室選址設(shè)計，GB 50251規(guī)定應(yīng)選擇在交通便利、地形開闊、地勢較高、檢修方便的區(qū)域，且不易受到地質(zhì)災(zāi)害及洪水影響，防洪標準不低于25年一遇。美國標準ASME B31.8規(guī)定設(shè)計線路閥室應(yīng)考慮維修和維護時氣體的放空量、泄漏或斷裂時氣體的泄漏量、隔離管段氣體的排放時間、環(huán)境敏感區(qū)氣體的排放、供氣連續(xù)性影響和管道附近區(qū)域未來的發(fā)展等。雪佛龍公司在美國加利福尼亞州康特拉科斯達縣（Contra Costa）的原油管道中，管道穿越人口密集區(qū)，在一段長度約為30英里（約48km）的管線上，共設(shè)計了5個遠程控制閥室和7個手動閥室[4]。國內(nèi)線路閥室選址原則是注重交通、地質(zhì)、防洪和檢修等。美國管道線路閥室選址原則是使截斷閥室之間管道破裂后所造成的泄漏油品損失達到最小，重視管道失效后果和危害性對社會公眾環(huán)境的影響，設(shè)計理念更為合理，具有借鑒意義。

3 伴行路設(shè)計

國內(nèi)管道線路管理主要包括管道線路巡差、第三方施工監(jiān)控、高后果區(qū)風(fēng)險評價等，較少關(guān)注伴行路維護，在管道建設(shè)期間由第三方單位鋪設(shè)伴行道。國外管道運營商制定專門的伴行路管理維護方案，伴行路的完好狀況也是管道巡線重點檢查內(nèi)容，除了在管道建設(shè)期間鋪設(shè)伴行路，在管道運行階段的維搶修作業(yè)時也會注意鋪設(shè)臨時伴行路，為后續(xù)的管道維護奠定基礎(chǔ)[5]。目前還缺少適用于山區(qū)的伴行路設(shè)計標準，例如中石油標準Q/SY 1443-2011《油氣管道伴行道路設(shè)計規(guī)范》只適用于普通陸地管道，應(yīng)制定山區(qū)管道伴行路設(shè)計和維護標準。

4 并行管道設(shè)計

采用油氣管道并行敷設(shè)方式具有占用土地少、共用伴行路、方便運行維護等優(yōu)點，特別是山區(qū)采用該方式更具優(yōu)勢。中緬油氣管道山區(qū)并行敷設(shè)的做法是：

（1）并行管道共用隧道、涵洞和河流跨越的管橋；

（2）并行管道共用伴行路和施工作業(yè)帶；

（3）天然氣管道和原油管道原則上不能并行敷設(shè)，但在山區(qū)沿窄溝、山脊等狹窄地帶，或者獨立敷設(shè)土方工程量大時可采用并行敷設(shè)；

（4）原油管道和天然氣管道并行敷設(shè)時間距不小于1.5m，原油管道和成品油管道并行敷設(shè)時間距不小于1.2m；

（5）山區(qū)管道并行敷設(shè)應(yīng)用沙袋填充隔斷，并分別設(shè)置管道標志樁。

中石油標準Q/SY 1358-2010《油氣管道并行敷設(shè)技術(shù)規(guī)范》缺乏山區(qū)管道并行敷設(shè)的規(guī)定，應(yīng)補充山區(qū)管道并行敷設(shè)的安全要求。

5 中緬山區(qū)管道創(chuàng)新設(shè)計

中緬原油管道屬于大落差管道，突出特征是大落差原油管道輸送工藝設(shè)計的難點主要是：存在翻越點，沿程摩阻大；高點可能存在不滿流狀態(tài)或者液柱分離問題，成為管道運行安全隱患。中緬原油管道輸送工藝中采用變頻調(diào)速泵與固定泵結(jié)合、串聯(lián)泵與并聯(lián)泵結(jié)合的設(shè)計方案，在高程差局部高點設(shè)置減壓站，例如在高程差1800m的盤縣、高程差1600m的丁山鎮(zhèn)。開發(fā)原油管道不滿流預(yù)測軟件，確定管道投產(chǎn)階段和運行階段存在氣體的可能性和位置，必要時采用高點排氣措施。

中緬管道沿線含地震9級烈度區(qū)的管段約56km，抗震設(shè)計標準為可承受50年一遇地震，地震區(qū)域選擇X70HD1 大變形、高韌性管材，不穩(wěn)定斷層管段選擇 X70HD2大變形、高韌性管材；優(yōu)化管道與地質(zhì)斷層帶的交叉角度，計算管道最大變形量滿足要求；管道穿越地質(zhì)斷層帶時采用加寬管溝，并用非粘性土壤回填，增加管道容許變形空間。

此外，中緬管道隧道設(shè)計中采用曲墻仰拱的橫截斷面形式；河流穿跨越采用了油氣雙管（或三管）上、下層布置的跨越方案；針對怒江局部大風(fēng)環(huán)境管段采用了柔性干擾索結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)方案。

6 鋼管損傷及處理

近年來國外長輸管道施工應(yīng)用的新技術(shù)包括大型穿越定向鉆和盾構(gòu)技術(shù)，大型河流、山澗、沖溝的跨越技術(shù)，管道穿越鐵路、公路的光固化套管保護技術(shù)，管道在濕陷土、膨脹土及永凍土等特殊地質(zhì)地區(qū)的安全防護技術(shù)，以及管道內(nèi)焊接、半自動焊接技術(shù)等。管道施工國家標準GB 50369《油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范》和中石油管道施工標準Q/SY 1059《油氣輸送管道線路工程施工技術(shù)規(guī)范》比較完善，主要問題是存在強力施工造成管道損傷的問題，難以根本杜絕且監(jiān)管難度大[6]。

特別是山區(qū)管道施工難度大、作業(yè)空間有限、土壤礫石結(jié)構(gòu)多等原因，鋼管在運輸、吊裝、下管過程中由于碰撞、擠壓發(fā)生損傷的可能性大。GB 50369規(guī)定鋼管凹坑深度不應(yīng)超過公稱管徑2%，問題是未規(guī)定超過該值進行修復(fù)的要求。ASME B31.8規(guī)定輸氣管道凹坑深度應(yīng)小于管徑的2%，ASME B31.4規(guī)定輸油管道凹坑的深度應(yīng)小于管徑的6%，凹坑位于縱向焊縫或環(huán)向焊縫處，或者影響彎管通過曲率半徑時，應(yīng)將存在凹坑的缺陷管段整體切除。俄羅斯標準РД 93.010.00-KTH-114-2007《干線石油管道建筑安裝工程施工和驗收規(guī)范》規(guī)定針對標準抗拉強度大于539MPa的鋼管，如鋼管凹坑深度超過公稱管徑3.5%應(yīng)進行割管，小于公稱管徑3.5%進行修復(fù)。國內(nèi)管道工程施工過程中很少進行缺陷鋼管修復(fù)，建議GB 50369補充含凹坑缺陷鋼管的修復(fù)要求。

7 鋼管下溝防護

美國標準ASME B31.4規(guī)定管道下溝過程應(yīng)小心謹慎，管道應(yīng)不受外力條件下放置在管溝底部。國內(nèi)標準GB 50369和Q/SY 1059規(guī)定了管道吊重設(shè)備使用要求，缺少禁止強力吊管下溝的要求。國內(nèi)管道施工過程普遍存在多種因素導(dǎo)致管道變形的問題，包括：石方段土質(zhì)處理不達標，吊管與管溝轉(zhuǎn)角角度不一致，管道下溝吊具使用不合理，直管段連帶彎頭、彎管下溝，管溝底部不平整造成管道局部懸空，管溝回填土中含礫石塊等。建議GB 50369和Q/SY 1059補充管道吊裝下溝的過程質(zhì)量控制要求。

8 試壓管段劃分

試壓是管道施工過程的重要環(huán)節(jié)，也是驗證管道施工質(zhì)量的技術(shù)手段。GB 50369規(guī)定水壓試驗和氣壓試驗管段長度不宜超過35km和18km，核算管道低點環(huán)向應(yīng)力不應(yīng)大于管材最低屈服強度的0.9倍，特殊地段不超過0.95倍。國內(nèi)山區(qū)管道試壓管段劃分多受制于標準，例如澀寧蘭管道位于雞拉山管段長度35km，高程差1110m，為保證低點環(huán)向應(yīng)力滿足規(guī)范要求，該管段試壓分成兩部分，增加了工作量。

國外標準針對試壓管段長度沒有具體數(shù)值要求，僅要求管道最高點必須達到所需的試驗壓力，必要時根據(jù)管道所處地形狀況，管道試壓管段長度可進行調(diào)整。例如蘇丹原油管道大部分處于沙漠缺水和山區(qū)，水源獲取困難，試壓管段長度最大延長至60km，減少了工作量。建議山區(qū)管道應(yīng)適當延長試壓管段長度，保證管道高點達到最低試驗壓力要求，管道最低點不超過SMYS，必要時根據(jù)線路閥室劃分試壓管段，避免試壓分段過多。

9 管道試壓介質(zhì)

氣體試壓如發(fā)生管道破裂事故，會造成嚴重損失，例如1955年西方輸氣公司事故輸氣管道撕裂長度約13km。國外標準傾向于采用水作為試壓介質(zhì)，例如ASME B31.4只規(guī)定了輸油管道的水壓試驗要求。針對輸油管道試壓介質(zhì)，國內(nèi)標準原則上應(yīng)采用水，但GB 50253和GB 50369規(guī)定山區(qū)水源獲取困難的區(qū)域可以進行氣體試驗。針對輸氣管道試壓介質(zhì)，在水源供應(yīng)、環(huán)境及自然條件受到限制的情況下，山區(qū)管道允許采用空氣進行強度試壓，但應(yīng)限制應(yīng)力水平，并制定安全防爆措施。

氣體試壓應(yīng)嚴格限定應(yīng)用條件和應(yīng)力水平，應(yīng)根據(jù) Battelle 公式和Brian N Leis公式計算管材止裂韌性， 防止發(fā)生管道撕裂事故。GB 50251和ASME B31.8規(guī)定三級和四級地區(qū)最大環(huán)向應(yīng)力分別小于0.5SMYS和0.4SMYS；CSA Z662氣體試壓的環(huán)向應(yīng)力不超過0.8SMYS。

10 最大試壓強度

Q/SY 1059規(guī)定管道最大試壓強度為低點的環(huán)向應(yīng)力不大于0.9倍SMYS，特殊地段不得大于0.95倍SMYS。我國西氣東輸三線采用0.8設(shè)計系數(shù)的管段長度為261km，管材API-5L X80，直徑1219mm，壁厚16.5/18.4/22/26.4mm，最小屈服強度555MPa，設(shè)計壓力12MPa。試驗管段最高點處的管道環(huán)向應(yīng)力不低于SMYS，且最低點處的管道環(huán)向應(yīng)力不高于1.05倍SMYS，強度試壓不少于4h。國外管道普遍采用較高試驗壓力，水壓試驗的環(huán)向應(yīng)力達到1.0～1.1倍 SMYS，例如美國1974年采用1.0～1.1倍SMYS強度試壓的管道長度已達124302km，美國安然公司和殼牌公司企業(yè)標準均規(guī)定最高強度試驗壓力可達到1.0倍SMYS；加拿大聯(lián)盟輸氣管道試壓強度為1.05倍SMYS[7]。建議山區(qū)管道最大試壓強度應(yīng)至少達到1.0倍SMYS，盡可能消除管材應(yīng)力和裂紋缺陷，驗證管道承壓能力和輸送能力，還可以延長管道試壓長度，減少工作量。

11 大落差原油管道投產(chǎn)技術(shù)

空管投油是世界上主流的管道投產(chǎn)方式，美國阿拉斯加原油管道、加拿大貫山管道、歐洲原油管道、科洛尼爾成品油管道均采用了這一方式。國內(nèi)管道投產(chǎn)一般采用全線水聯(lián)運、油頂水的方式，主要考慮了原油物性差、原油泄漏風(fēng)險等因素。大落差原油管道投產(chǎn)需要解決的主要問題有管道低點“氣阻”現(xiàn)象導(dǎo)致輸油泵停運問題，以及管道低點氣體排放、氣體隔離等問題。近年來我國建設(shè)運營了西部成品油管道、蘭成原油管道等大落差山區(qū)管道，積累了很多實踐經(jīng)驗，建議將其轉(zhuǎn)化為技術(shù)標準。例如西部成品油管道實現(xiàn)了空管投油方式，對比分析了空管投油和水聯(lián)運投油的優(yōu)缺點，確定采用空管投油方案，并解決了空管投油中前行油品保護、高點排氣、自動化設(shè)備調(diào)試、預(yù)防大落差不滿流等問題，提出了可行性技術(shù)控制措施。

12 結(jié)論和建議

（1）十二五期間，我國先后建成投產(chǎn)了蘭成渝、西部管道、中緬管道等大型山區(qū)長輸管道工程，應(yīng)用了大變形鋼材地震區(qū)設(shè)計、油氣管道山區(qū)并行敷設(shè)、山區(qū)隧道河流穿跨域、大落差山區(qū)管道投產(chǎn)等技術(shù)，山區(qū)管道設(shè)計已處于國際先進水平，存在的主要問題有管道下溝和回填質(zhì)量控制有待改進，還未廣泛應(yīng)用高強度水壓試驗技術(shù)，山區(qū)管道線路管理工作需要加強等；

（2）山區(qū)管道標準存在缺失問題，建議制定《山區(qū)管道伴行路設(shè)計和維護標準》、《山區(qū)管道壓力試驗標準》和《大落差原油管道空管投油技術(shù)規(guī)范》等；

（3）建議山區(qū)管道在滿足制管水平、施工工藝和地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，酌情提高管道設(shè)計系數(shù)至0.8；

（4）借鑒美國管道線路閥室選址原則，即使截斷閥室之間管道破裂后所造成的泄漏油品損失達到最小，重視管道失效后果和危害性對社會公眾環(huán)境的影響；

（5）借鑒美國山區(qū)管道閥室間距允許調(diào)整的原則，原油、成品油管道的截斷閥室間距允許在10%范圍內(nèi)進行調(diào)整，天然氣管道的截斷閥室間距允許在25%范圍內(nèi)進行調(diào)整；

（6）加強山區(qū)管道施工過程中管溝開挖、鋼管吊裝和鋼管安全防護的質(zhì)量管控監(jiān)督，補充施工過程中鋼管缺陷檢查和返廠修復(fù)的內(nèi)容。