1中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第十一采油廠

2中國(guó)石油新疆油田分公司實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院

3中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司

4中國(guó)石油天然氣股份有限公司華北油田分公司第四采油廠

“十三五”期間我國(guó)長(zhǎng)輸管道實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，建立了西北、東北、西南和海上四大油氣戰(zhàn)略通道[1]。中亞和俄羅斯是中國(guó)石油海外投資合作重點(diǎn)地區(qū)，建設(shè)運(yùn)營(yíng)了中亞天然氣管道A、B、C線和中哈原油管道，以及中俄原油管道一線、二線，中亞D線和中俄天然氣管道正在建設(shè)中[2]。中亞國(guó)家在用標(biāo)準(zhǔn)多為所屬國(guó)、俄羅斯和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的集合，中俄標(biāo)準(zhǔn)性質(zhì)、層級(jí)不一致，標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)水平也存在差異，可能導(dǎo)致管道建設(shè)周期變長(zhǎng)，或者管道投資成本增加[3]。因此，應(yīng)針對(duì)中國(guó)和俄羅斯管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析[4]。本文研究了中俄管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在壁厚計(jì)算方法上的重要差異，闡述了俄羅斯基于管道抗拉強(qiáng)度計(jì)算壁厚的設(shè)計(jì)理念。結(jié)合典型管道設(shè)計(jì)示例，按照中俄管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)給出了壁厚計(jì)算值。針對(duì)不同鋼級(jí)，提出了管道壁厚設(shè)計(jì)方法選擇建議。研究成果可為我國(guó)中亞新建管道的設(shè)計(jì)提供參考。

1 中國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 GB 50251—2015

中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定輸氣管道直管段管壁厚度按照式（1）計(jì)算。

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為鋼管的最小屈服強(qiáng)度，MPa；?為焊縫系數(shù)，鋼管如符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè) 管道輸送系統(tǒng)用鋼管》中的PSL2級(jí)，焊縫系數(shù)取1.0；F為強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，輸氣管道一級(jí)一類、一級(jí)二類、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)地區(qū)強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)分別取0.8、0.72、0.6、0.5、0.4；t為溫度折減系數(shù)，當(dāng)溫度小于120 ℃時(shí)，取1.0。

1.2 GB 50253—2014

中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50253—2014《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定輸油管道直管段的鋼管管壁厚度應(yīng)按式（2）和式（3）計(jì)算。

式中：δ為直管段鋼管計(jì)算壁厚，mm；[σ]為鋼管許用應(yīng)力，MPa；k為設(shè)計(jì)系數(shù)，輸油站外原油管道一般地段取0.72。

中國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中輸油管道和輸氣管道壁厚設(shè)計(jì)公式基本相同，差異在于輸氣管道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)按照地區(qū)等級(jí)取不同的值，輸油管道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)為定值；輸氣管道考慮了溫度折減系數(shù)，當(dāng)溫度小于120 ℃時(shí)，取值1.0。在管道運(yùn)行溫度范圍內(nèi)，溫度折減系數(shù)對(duì)壁厚計(jì)算無(wú)影響[5]。

2 俄羅斯管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 SNIP 2.05.06-85—1997

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)SNIP 2.05.06-85—1997《干線管道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定管道壁厚按照式（4）計(jì)算，如存在縱向和周向壓縮應(yīng)力，管道壁厚按照式（5）計(jì)算。

式中：δ為管道壁厚，mm；n為載荷（管道內(nèi)壓力）可靠性系數(shù)，取值1.1；R1為計(jì)算抗拉強(qiáng)度，MPa；m為管道工作條件系數(shù)，管段等級(jí)為B、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ時(shí)，管道工作條件系數(shù)分別取0.6、0.75、0.75、0.9、0.9；kL為鋼管材料可靠性系數(shù)，根據(jù)鋼管特性取值1.34、1.4、1.47、1.55；kH為鋼管用途可靠性系數(shù)，一般取值1；為標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度，MPa；φ1為考慮管子雙軸受力狀態(tài)系數(shù)；σN為縱向軸向壓縮用力，由計(jì)算載荷和作用力確定，MPa。

2.2 ГОСТР 55989—2014

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)ГОСТР 55989—2014 《壓力10 MPa以上干線輸氣管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：基本要求》規(guī)定管道設(shè)計(jì)壁厚的計(jì)算公式為

式中：δ為管道設(shè)計(jì)壁厚，mm；δt、δy為根據(jù)抗拉強(qiáng)度極限和屈服強(qiáng)度極限確定的管道壁厚，mm；Rt、Ry為計(jì)算抗拉強(qiáng)度和計(jì)算屈服強(qiáng)度，MPa；mt、my為計(jì)算抗拉強(qiáng)度和計(jì)算屈服強(qiáng)度的管道工作條件系數(shù)，管段類型為H、C、B的mt和my分 別 為0.88和0.91、0.74和0.76、0.59和0.63，普通直管段類型為H；kt、ky為計(jì)算抗拉強(qiáng)度和計(jì)算屈服強(qiáng)度時(shí)的鋼管材料可靠性系數(shù)，根據(jù)高等級(jí)管線鋼管制造工藝，kt取值1.34，ky取值1.15；kn為鋼管材料可靠性責(zé)任系數(shù)，取值1.1；σt、σy為鋼管抗拉強(qiáng)度極限值和屈服強(qiáng)度極限值，MPa。

3 計(jì)算示例

3.1 鋼管等級(jí)X65鋼級(jí)

中國(guó)在哈薩克斯坦西部建設(shè)的某輸氣管道，地區(qū)等級(jí)為一級(jí)，管材采用X65鋼級(jí)，管徑1 016 mm，設(shè)計(jì)壓力6.4 MPa，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度531 MPa，鋼管的最小屈服強(qiáng)度448 MPa，按照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB 50251—2015和俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)SNIP 2.05.06-85—1997計(jì)算的壁厚值分別為10.08 mm和11.75 mm。

3.2 鋼管等級(jí)X80鋼級(jí)

中俄東線天然氣管道，地區(qū)等級(jí)為一級(jí)，管材采用X80鋼級(jí)，管徑1 422 mm，設(shè)計(jì)壓力12 MPa，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度625 MPa，鋼管的最小屈服強(qiáng)度555 MPa。按照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB 50251—2015和俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)ГОСТР 55989—2014計(jì)算的壁厚值分別為21.35 mm和25.15 mm，俄羅斯管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)基于屈服強(qiáng)度計(jì)算的壁厚值為23.51 mm?？梢钥闯觯砹_斯管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的壁厚計(jì)算值較大，俄羅斯管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)偏于保守；隨著管道的設(shè)計(jì)壓力由6.4 MPa提高到12 MPa，鋼管等級(jí)由X65提高到X80，中俄管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的壁厚計(jì)算值差值由1.67 mm增加至3.8 mm。

4 管道壁厚計(jì)算方法差異

4.1 設(shè)計(jì)理念

我國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)管道沿線人口密度劃分為四個(gè)地區(qū)等級(jí)，采用不同的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，即根據(jù)管材屈服強(qiáng)度確定壁厚。我國(guó)管道壁厚計(jì)算方法考慮了強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)、焊縫系數(shù)和溫度折減系數(shù)[6]。

由于地廣人稀，俄羅斯管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)未考慮管道沿線人口分布情況，基于可靠性理念，綜合考慮壓力載荷、管材特性、管段性質(zhì)、環(huán)境和制管工藝施工等，根據(jù)管材抗拉強(qiáng)度確定壁厚[7]。俄羅斯管道壁厚計(jì)算方法涵蓋的因素更為全面，例如載荷可靠性系數(shù)、管道工作條件系數(shù)、管段性質(zhì)等級(jí)、鋼管材料可靠性系數(shù)等。

俄羅斯管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)壁厚計(jì)算的理論基礎(chǔ)是基于管材抗拉強(qiáng)度，中國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)壁厚計(jì)算的理論基礎(chǔ)是基于鋼管最小屈服強(qiáng)度。根據(jù)材料力學(xué)性能可知，抗拉強(qiáng)度大于最小屈服強(qiáng)度[8]，API Spec5L—2012《管線鋼管規(guī)范》規(guī)定的PSL1等級(jí)X65鋼管的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為535 MPa，最小屈服強(qiáng)度為450 MPa；X70鋼管的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為570 MPa，最小屈服強(qiáng)度為485 MPa，這是俄羅斯管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)壁厚計(jì)算值較大的根本原因。

4.2 適用范圍

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)SNIP 2.05.06-85—1997規(guī)定適用于公稱直徑小于1 400 mm、設(shè)計(jì)壓力在1.2～10 MPa的干線管道。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)ГОСТР 55989—2014適用于管徑小于1 400 mm、輸送壓力為10～25 MPa的管道。

GB 50251—2015未明確規(guī)定適用管徑及壓力等級(jí)范圍，在條文說(shuō)明中指出中國(guó)石油于2013年在西氣東輸三線管道西段建設(shè)了管徑1 219 mm、設(shè)計(jì)壓力12 MPa、X80鋼級(jí)、管段長(zhǎng)度300 km、設(shè)計(jì)系數(shù)0.8的試驗(yàn)管段，為本規(guī)范修訂提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。我國(guó)西氣東輸二線已采用X80鋼級(jí)，但不處于高寒地區(qū)。中俄東線管徑1 422 mm、運(yùn)行壓力12 MPa、X80鋼級(jí)，主要敷設(shè)于高寒凍土區(qū)。我國(guó)在高寒凍土區(qū)的管道施工技術(shù)和焊接質(zhì)量還需提高，缺少極端氣候條件下的管道運(yùn)行數(shù)據(jù)[9]。因此，應(yīng)研究適用于高寒地區(qū)以及大口徑、高壓力、高鋼級(jí)的管道壁厚計(jì)算方法[10]。

5 管道壁厚計(jì)算方法選擇

5.1 高鋼級(jí)

中亞、中俄油氣管道屬于大口徑、高壓力、高鋼級(jí)管道，特點(diǎn)是管線鋼管隨著等級(jí)提高屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值（屈強(qiáng)比）增大[11]。屈強(qiáng)比越低，管材從初始塑性變形到最后斷裂的形變?nèi)萘吭酱?，可有效緩解因過(guò)載而產(chǎn)生的應(yīng)力集中；但屈強(qiáng)比過(guò)低，會(huì)造成管材強(qiáng)度損失，導(dǎo)致壁厚過(guò)大。屈強(qiáng)比越高，從初始塑性變形到最后斷裂的形變?nèi)萘吭叫?，因此，隨著管線鋼管等級(jí)提高，管道安全裕量減小。有學(xué)者認(rèn)為X65以上高等級(jí)鋼管或者高寒地區(qū)管道應(yīng)采用極限載荷設(shè)計(jì)方法、可靠性設(shè)計(jì)方法等新的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以保證管道安全運(yùn)行[12]。

以中俄東線天然氣管道一級(jí)地區(qū)為例，管徑1 422 mm，設(shè)計(jì)壓力12 MPa，采用不同等級(jí)的管線鋼管，按照俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)ГОСТР 55989—2014，分別基于管材抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度計(jì)算壁厚值（圖1）。

可以看出，管線鋼管等級(jí)高于X65，按照抗拉強(qiáng)度計(jì)算的壁厚值將會(huì)大于按照屈服強(qiáng)度計(jì)算的壁厚值。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)ГОСТР 55989—2014采用了抗拉極限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，其設(shè)計(jì)理念反映了高鋼級(jí)鋼管材料特性的變化，即隨著鋼管等級(jí)提高，材料屈強(qiáng)比增加，管材從發(fā)生屈服到斷裂的裕量變小。從管道安全運(yùn)行角度考慮，管線鋼管等級(jí)高于X65，應(yīng)按照俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)ГОСТР 55989—2014進(jìn)行管道壁厚設(shè)計(jì)計(jì)算。如按照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB 50251—2015進(jìn)行管道壁厚設(shè)計(jì)計(jì)算，應(yīng)有充分?jǐn)?shù)據(jù)證明其可靠性，否則管道壁厚設(shè)計(jì)應(yīng)考慮一定的安全裕量。

圖1 按照俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)不同鋼管等級(jí)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的壁厚計(jì)算值Fig.1 Wall thickness calculation value of different steel pipe grades according to tensile strength and yield strength in Russian standard

5.2 普通鋼級(jí)

以中俄東線天然氣管道一級(jí)地區(qū)為例，管徑1 422 mm，設(shè)計(jì)壓力12 MPa，采用不同等級(jí)的管線鋼管，按照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB 50251—2015、俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)ГОСТР 55989—2014以及俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)ГОСТР 55989—2014基于管材抗拉強(qiáng)度計(jì)算壁厚值（圖2）。可以看出，俄羅斯管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的壁厚計(jì)算值較大，鋼管等級(jí)由X42提高到X80，中俄管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的壁厚計(jì)算值差值最小值為2.89 mm，最大值為4.13 mm，該差值范圍可作為管線鋼管等級(jí)高于X65時(shí)，按照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB 50251—2015進(jìn)行管道壁厚設(shè)計(jì)的安全裕量。

管線鋼管等級(jí)低于X65，從節(jié)省管道成本角度考慮，應(yīng)首選按照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管道壁厚設(shè)計(jì)，采用俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)偏于保守。如中亞國(guó)家不能執(zhí)行中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，在與外方商討、談判管道設(shè)計(jì)所依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可采用俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)基于抗拉強(qiáng)度進(jìn)行管道壁厚設(shè)計(jì)，將此作為一種折中或者備選的方案，盡可能地為我國(guó)爭(zhēng)取經(jīng)濟(jì)利益。

圖2 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)不同鋼管等級(jí)的壁厚計(jì)算值Fig.2 Wall thickness calculation values of different steel pipe grades in Chinese and Russian standards

6 結(jié)論

（1）中國(guó)和俄羅斯管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)理念不同，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)考慮管道沿線人口密度，采用不同強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，根據(jù)管材屈服強(qiáng)度確定壁厚。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)未考慮管道沿線人口分布情況，基于可靠性理念，綜合考慮壓力載荷、管材特性、管段性質(zhì)、環(huán)境和制管工藝施工等，根據(jù)管材抗拉強(qiáng)度確定壁厚。

（2）中國(guó)和俄羅斯管道壁厚計(jì)算方法不同，我國(guó)管道壁厚計(jì)算方法考慮了強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)、焊縫系數(shù)和溫度折減系數(shù)。俄羅斯管道壁厚計(jì)算方法涵蓋的因素更為全面，如載荷可靠性系數(shù)、管道工作條件系數(shù)、管段性質(zhì)等級(jí)、鋼管材料可靠性系數(shù)等。

（3）俄羅斯管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的壁厚計(jì)算值較大，以輸氣管道為例，設(shè)計(jì)壓力6.4 MPa、管徑1 016 mm、管材X65，中俄管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的壁厚計(jì)算值分別為10.08 mm和11.75 mm；設(shè)計(jì)壓力12MPa、管徑1 422 mm、管材X80，中俄管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的壁厚計(jì)算值分別為21.35 mm和25.15 mm，中俄管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的壁厚計(jì)算值差值由1.67 mm增加至3.8 mm。

（4）俄羅斯管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)基于管材抗拉強(qiáng)度的理念，能夠反映X65及以上高鋼級(jí)鋼管材料特性的變化；中國(guó)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)則未明確規(guī)定適用的管道直徑、壓力、鋼管等級(jí)，具有一定技術(shù)局限性。

（5）管線鋼管等級(jí)高于X65，從管道安全運(yùn)行角度考慮，應(yīng)按照俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管道壁厚設(shè)計(jì)計(jì)算，如采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)考慮安全裕量；管線鋼管低于X65，從節(jié)省管道成本角度考慮，應(yīng)按照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管道壁厚設(shè)計(jì)，如不能執(zhí)行中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，可采用俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)基于抗拉強(qiáng)度進(jìn)行管道壁厚設(shè)計(jì)。