何祖祥，李春鋒，王洪波，楊建中

中國石油管道局工程有限公司 設計分公司（河北廊坊065000）

0 引言

澳洲地區(qū)天然氣資源豐富，該地區(qū)油氣管道項目逐步成為中方市場開拓的一個重點，目前管道項目涵蓋的地區(qū)范圍主要包括澳大利亞、巴布亞、新幾內(nèi)亞等國家。澳洲油氣管道設計的實施，需要及時了解掌握當?shù)爻Ｓ脴藴室?guī)范及工程常用設計方法，澳標從20世紀60年代起就開始進行長輸管道標準化體系建設，目前已趨于成熟。鑒于其地域性和適用范圍，國內(nèi)針對澳大利亞技術標準研究偏少。

澳大利亞標準《氣體和石油液體管道》AS 2885—2012系列主要包括：AS 2885.1—2012《設計和施工》、AS 2885.2—2012《焊接》、AS 2885.3—2012《運營和維護》、AS 2885.4—2012《海底管道系統(tǒng)》和AS 2885.5—2012《壓力試驗》。結合澳洲、巴布亞、新幾內(nèi)亞境內(nèi)某長輸油氣管道項目的可行性研究設計（Pre-FEED），探討其與常規(guī)線路設計方面的技術性差異。

1 地理信息系統(tǒng)（GIS）建立

在業(yè)主招標文件的工作范圍中，提出要為管道項目建立GIS數(shù)據(jù)集，用于支持可行性研究設計階段開展路由選擇及線路設計等工作，并要求可行性研究設計結束后，把這些GIS數(shù)據(jù)移交給業(yè)主。這與常規(guī)做法有所不同，以往在可行性研究設計階段只把GIS作為一種輔助選線及分析的手段，并沒有系統(tǒng)全面地為單個項目建立獨立的數(shù)據(jù)集以及數(shù)據(jù)移交。

項目業(yè)主只能提供管道沿線1:20×104地形圖及部分喀斯特山區(qū)的LiDAR地形數(shù)據(jù)。為滿足招標文件中提出的GIS要求，設計方結合自身積累和工程經(jīng)驗，收集大量公共GIS數(shù)據(jù)，查閱多個國際組織網(wǎng)站,包括國際自然保護聯(lián)盟IUCN、聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署UNEP、聯(lián)合國科教文組織UNESCO、世界資源研究所WRI等；還包括多個國際基金專項研究網(wǎng)站，如全球火山計劃、世界保護區(qū)數(shù)據(jù)庫WDPA、斯坦福大學地理空間中心等，進一步對數(shù)據(jù)庫進行補充，基本實現(xiàn)了管道所在區(qū)域多種基礎地理數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)的全面覆蓋。

數(shù)據(jù)收集整理完成后，設計方對這些數(shù)據(jù)進行處理，并將柵格地形圖、專題數(shù)據(jù)錄入ArcGIS軟件平臺中，建立該項目GIS數(shù)據(jù)集，開展桌面選線研究。然后進行現(xiàn)場踏勘調(diào)研，結合踏勘的影像照片資料和環(huán)境保護敏感區(qū)、現(xiàn)有可依托道路以及業(yè)主在該區(qū)域的工程建設經(jīng)驗，對線路進行優(yōu)化調(diào)整。設計完成后把GIS數(shù)據(jù)集移交給業(yè)主，供業(yè)主下階段設計或運營管理時沿用。

2 地區(qū)等級差異

2.1 地區(qū)等級分類

對公共活動較多的地段，目前輸氣管道設計采用的主要安全措施是增加管道壁厚，即增強管道抗外界破壞的應力水平來維護管道自身的安全。采用這種方式為管道周圍的公眾、建構筑物及其他設施提供安全保障。為了對公共活動進行量化，在設計標準中引入了地區(qū)等級的概念，并對不同地區(qū)等級的區(qū)段定義了相對應的設計系數(shù)，通過采取降低管道許用應力的方法增加安全裕度。

澳標中地區(qū)等級是按管道沿線土地利用類型來反映周圍事物對管道本身或來自管道的威脅。在人口密度大的地方，不僅會導致管道破壞的活動水平增加，而且管道失效后的后果也將更嚴重。因此在人口較多的地區(qū)，公眾需要受更嚴格的保護以防止管道失效造成影響。澳標中鋼管的壁厚設計、管道后期運營中所面臨的風險類型及級別等這些因素與地區(qū)等級的劃分有關。但是對不同的地區(qū)等級采用同一個設計系數(shù)（一般段管道設計系數(shù)不超過0.8即可），然后按各地區(qū)等級中管道可能遭受的不同風險因素對壁厚進行核算，從而選取合適的鋼管壁厚。

AS 2885.1—2012中規(guī)定按管道全孔破裂泄漏著火點熱輻射能量值4.7 kW/m2所能影響到的距離，對管道沿線劃分地區(qū)等級，分主要地區(qū)等級（表1）和次要地區(qū)等級（表2）兩大類[1-2]，先劃分主要地區(qū)然后再劃分次要地區(qū)。

表1 主要地區(qū)等級劃分

表2 次要地區(qū)等級劃分

2.2 地區(qū)等級的量測距離差異

劃分地區(qū)等級之前，首先要明確量測范圍。我國輸氣管道國家標準（或美標）中地區(qū)等級劃分依據(jù)為沿管線中心兩側各200 m（或美標中1/8英里）范圍內(nèi)，任意劃分成長度為2 km（或美標中1.6 km，即1英里）并能包括的最大聚居戶數(shù)。澳標中量測距離考慮的是輸氣管道在全孔破裂情況下熱輻射率不小于4.7 kW/m2的范圍，這種熱輻射強度可能會在短時間（不到1min）內(nèi)對影響范圍內(nèi)的公眾造成傷害，目的是確保管道設計和運行中能夠識別災難性故障所導致危害的程度。

熱輻射距離可以按照API 521—2014導則中的公式計算：

式中：D表示燃燒中心點到被考慮物體的最小距離，m；τ表示熱強度傳遞系數(shù)，取1.0；F表示熱輻射系數(shù)，取0.25（可根據(jù)工程情況適當調(diào)整）；Q表示熱釋放量，kW（與管徑、壓力、釋放時間有關）；K表示允許的熱輻射率，取4.7 kW/m2。

管道破裂失效影響的因素，不僅取決于人口密度，還取決于量測距離，并與管徑大小和輸送參數(shù)有關。比如R2地區(qū)等級的大口徑管道周圍2×104m2的區(qū)域面積可能會比T1地區(qū)等級的小口徑管道面臨更大的風險，盡管后者的地區(qū)等級要高[3]。

量測距離也可以查找AS 2885.1—2012附錄Y中的圖形粗略確定，附錄Y圖表只是給出了幾類典型輸送參數(shù)下的工況，對圖表中沒有的工況，需按上述熱輻射距離公式進行計算。一般量測距離的精確性意義不大，合理的距離估計就足夠（因為幾米的誤差并不會對人們因熱量輻射所造成的傷害產(chǎn)生明顯影響）。同樣，公眾或建構筑物超出量測范圍也并不意味著它們完全不受管道失效的影響。

3 管道壁厚計算差異

澳標中設計系數(shù)不對應地區(qū)等級，管道壁厚計算基于風險設計，一般段設計系數(shù)不大于0.8。鋼管壁厚除了要承受管道內(nèi)壓外，還要考慮外界各種破壞風險以及材料本身的特性要求等。因此雖然不同地區(qū)等級對應同一個設計系數(shù)，但是按環(huán)向應力計算出的鋼管壁厚需要根據(jù)不同地區(qū)等級可能出現(xiàn)的風險實施校核，以驗證選用壁厚滿足不同的狀況。管道壁厚計算應主要考慮的因素包括以下幾個方面[4]：

1）腐蝕余量和管道制造公差。若管材用的板卷符合API 5L標準，制造公差可不考慮，但是無縫鋼管應考慮制造公差。

2）管道內(nèi)壓。根據(jù)設計壓力、管徑及鋼管許用應力計算出的壁厚。

3）管道壁厚要滿足抗穿透能力。對T1和T2類等級的地區(qū)，因人口眾多，面臨第三方破壞風險增加，壁厚應能確保管道有一定的抗穿透能力，評估挖掘機斗齒或其他施工機具能否造成管道穿孔破壞。

4）管道壁厚要滿足臨界主要缺陷長度（CDL）的要求。在T1和T2類等級的地區(qū)，用加大鋼管壁厚的方式來增加鋼管臨界缺陷長度，確保管道發(fā)生穿透缺陷時，不產(chǎn)生延性擴展。按設計所定義的最小臨界缺陷長度，滿足對鋼管壁厚的要求，同時計算防止缺陷開裂的最小沖擊韌性值。

5）壁厚滿足應力應變準則。一般線路段組合應力不超過90%最低屈服強度。

6）壁厚滿足斷裂控制的要求?？勾嘈詳嗔涯芰νㄟ^“落錘撕裂試驗”來檢驗；延性斷裂控制所需的最小韌性值計算參照Battelle簡化公式或者其雙曲線模型。

7）壁厚滿足公路鐵路穿越處應力準則，按API 1102核算。

上述壁厚計算及校核的公式可參見AS 2885.1—2012相關章節(jié)，另外還有一些其他需要考慮的因素，如壁厚能抵抗應力腐蝕開裂、壁厚應使管道達到足夠的疲勞壽命、滿足“特殊段施工”（特殊的穿跨越，定向鉆外力失穩(wěn)等）、試壓允許的高差分析等，這些情況需根據(jù)具體的工程要求選擇。

4 閥室間距差異

澳標中對輸氣管道在R1等級地區(qū)的閥室間距無具體要求，并不意味著可以任意設置，需考慮閥室間隔管段內(nèi)天然氣釋放量和維搶修時間因素。一般來說，閥室間距的增加雖然減少了工程投資，但增加了事故發(fā)生時可能造成的潛在危害[5-6]，因此閥室間距設置需綜合考慮經(jīng)濟效益和運行安全。

結合澳洲地區(qū)輸氣管道工程實踐，對于R1地區(qū)等級，管道截斷閥室間距一般控制在50～80 km。在R2等級地區(qū)，閥室間距最大為30 km，T1和T2等級地區(qū)閥室最大間距均為15 km。對于輸油管道，在R1、R2地區(qū)閥室間距無要求，T1和T2地區(qū)最大間距均為15 km，其他閥室設置考慮因素與美標和國標中基本一致。

5 安全管理研究

安全管理研究（SMS）是設計中需要關注的一項內(nèi)容，在AS 2885.1—2012中明確提出，在前期設計（如Pre-FEED/FEED）階段，需要開展安全管理研究工作并形成報告提交。該報告涵蓋風險分析的部分內(nèi)容，其主要目的是：①分析識別對項目、環(huán)境及社會影響存在主要風險的高后果事件，并提出控制消減措施；②提供足夠的信息，使業(yè)主或利益相關方能參與到監(jiān)管及審批流程中，并對該項目相關的風險項與措施做出決策。

該研究執(zhí)行過程中首先對管道沿線位置特征進行分析，按里程段列出對管道可能存在的潛在威脅源清單。對這些威脅源按點狀、線狀、面狀分類，根據(jù)失效后果嚴重程度和發(fā)生概率計算矩陣得到風險級別，并從技術上或管理程序上采取防范措施以消除或減緩識別的風險，分析方法和結論編制成獨立的安全管理研究報告。

6 結論

采用澳標開展管道線路設計時，與常規(guī)設計中的差異包括：

1）在設計前期一般為項目建立GIS數(shù)據(jù)集，用于線路選擇與優(yōu)化，并在后期傳遞與移交這些數(shù)據(jù)。

2）地區(qū)等級劃分按熱輻射率計算量測距離，根據(jù)量測距離內(nèi)的土地利用類型特征和人口密度來確定主要地區(qū)等級和次要地區(qū)等級。

3）鋼管壁厚計算中，設計系數(shù)并不對應地區(qū)等級，一般段設計系數(shù)不大于0.8。但是按內(nèi)壓計算的壁厚應參照不同地區(qū)等級的要求實施校核，以驗證選取的壁厚滿足抗穿透等風險。

4）閥室間距設置要綜合考慮經(jīng)濟性和運營安全，R1地區(qū)規(guī)范中無明確間距要求，一般控制在50～80 km。

5）安全管理研究報告的大部分內(nèi)容與線路設計相關，其目的是研究管道高后果事件及其應對策略，在設計階段為業(yè)主提供足夠的信息,以便為項目監(jiān)管和批準過程中做出決策。