王品賢， 夏俏健， 牛志勇， 李建國， 徐 碩， 馬偉平

(1.中國石油天然氣管道局工程有限公司 管道投產(chǎn)運行分公司， 河北 廊坊 065001；2.中國航空油料有限責(zé)任公司 溫州分公司， 浙江 溫州 325024；3.中國石油管道局工程有限公司 第四分公司， 河北 廊坊 065000；4.中國石油西南管道天水輸油氣分公司， 甘肅 天水 741002；5.中國石油管道科技研究中心， 河北 廊坊 065000)

“十三五”期間，我國建立了西北、東北、西南和海上四大油氣長輸管道戰(zhàn)略通道[1]。中亞是中國石油海外投資重點地區(qū)，先后建設(shè)運營了中亞天然氣管道A、B、C線和中哈原油管道，目前中亞天然氣管道D線正在籌建中[2]。中亞國家管道設(shè)計執(zhí)行北美國家、俄羅斯、中國的國家標(biāo)準(zhǔn)和ISO標(biāo)準(zhǔn)，各標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)水平存在的差異，導(dǎo)致在中亞地區(qū)建設(shè)大口徑、高壓力長輸管道過程中產(chǎn)生很多問題[3]。例如管道項目中應(yīng)執(zhí)行何種類型標(biāo)準(zhǔn)、商討管道設(shè)計依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)耗費時間、管道建設(shè)周期變長、管道設(shè)計很難以最優(yōu)方案實現(xiàn)等，造成管道建設(shè)成本增加。中亞天然氣管道D線就因烏茲別克斯坦缺少高壓管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)造成管道投資增加[4]。

美國、加拿大和俄羅斯是世界上長輸管道建設(shè)發(fā)達國家[5]。我國油氣管道海外投資合作的增加，以及大口徑、高鋼級、高壓力管道的發(fā)展，均要求相關(guān)方加強對國外管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的研究分析和應(yīng)用[6-7]。文中分析研究了中國、俄羅斯、美國和加拿大管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中管道壁厚計算方法的差異，闡述了各標(biāo)準(zhǔn)管道壁厚計算方法中關(guān)鍵參數(shù)的含義和取值依據(jù)。結(jié)合典型管道設(shè)計示例，按照各國管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)計算得出了管道壁厚計算值。

1 國內(nèi)外管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中壁厚計算方法

1.1 中國管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

1.1.1 GB 50251—2015

GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》[8]中規(guī)定輸氣管道直管段管壁厚度按照式(1)計算：

(1)

式中，δ為鋼管計算壁厚，D為鋼管外徑，mm；p為設(shè)計壓力，σs為鋼管的最小屈服強度，MPa；φ為焊接接頭系數(shù)；F為強度設(shè)計系數(shù)，輸氣管道一級一類、一級二類、二級、三級和四級地區(qū)的強度設(shè)計系數(shù)分別為0.8、0.72、0.6、0.5和0.4；T為溫度折減系數(shù)，溫度小于120 ℃時T取1.0。

1.1.2 GB 50253—2014

GB 50253—2014《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》[9]中規(guī)定輸油管道直管段管壁厚度應(yīng)按式(2)計算：

(2)

其中

[σ]=kφσs

(3)

式中，[σ]為鋼管許用應(yīng)力，MPa；k為設(shè)計系數(shù)，輸油站外原油管道一般地段取k=0.72。

中國管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中輸油管道和輸氣管道壁厚設(shè)計公式基本相同，差異在于輸氣管道壁厚計算中的強度設(shè)計系數(shù)按照地區(qū)等級取不同的數(shù)值，而輸油管道的強度設(shè)計系數(shù)為定值。此外，輸氣管道壁厚計算中考慮了溫度折減系數(shù)，當(dāng)溫度小于120 ℃時T取1.0。因此在油氣管道運行溫度范圍內(nèi)，溫度折減系數(shù)對壁厚計算無實際影響[10]。

1.2 俄羅斯管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

SNIP 2.05.06-85—1997《干線管道設(shè)計規(guī)范》[11]中規(guī)定管道壁厚按照式(4)計算，如存在縱向和周向壓縮應(yīng)力，管道壁厚按照式(5)計算。

(4)

(5)

(6)

(7)

1.3 美國管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

1.3.1 ASME B31.8—2016

ASME B31.8—2016《氣體輸送和配送管道系統(tǒng)》[12]中規(guī)定輸氣管道系統(tǒng)設(shè)計壓力下的公稱壁厚計算式為：

(8)

式中，δn為公稱壁厚，DN為公稱外徑，mm；Ja為軸向連接系數(shù)。

輸氣管道一級一類、一級二類、二級、三級和四級地區(qū)的強度設(shè)計系數(shù)F分別為0.8、0.72、0.6、0.5和0.4。當(dāng)溫度小于120 ℃時，T取1.0。

1.3.2 ASME B31.4—2016

ASME B31.4—2016《液態(tài)烴和其他液體管線運輸系統(tǒng)》[13]中規(guī)定輸油管道直管段壓力設(shè)計壁厚計算公式為：

(9)

式中，t為壓力設(shè)計壁厚，mm；pi為設(shè)計內(nèi)壓力，S為許用應(yīng)力，MPa；鋼管許用應(yīng)力[σ]計算式與式(3)相同，設(shè)計系數(shù)k取0.72。

輸油管道直管段公稱壁厚計算公式為：

tn≥t+A

(10)

式(10)中，公稱壁厚tn考慮了壓力和安全裕量，A考慮了螺紋和開槽輸送管裕量以及腐蝕裕量，如采用保護措施，則無需考慮腐蝕裕量。

1.4 加拿大管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

CSA Z662—2015《油氣管道系統(tǒng)》[14]中規(guī)定給定設(shè)計壓力下直管段的壁厚計算公式為：

(11)

式中，J為連接系數(shù)，對于無縫鋼管、電焊鋼管和埋弧焊鋼管，J取1；L為位置系數(shù)，具體取值見表1。F取0.8，溫度低于120 ℃時T取1.0。

表1 CSA Z662—2015中管道位置系數(shù)取值

CSA Z662—2015規(guī)定公稱壁厚不能小于壓力設(shè)計壁厚，還應(yīng)加上腐蝕、螺紋等安全裕量，計算公稱壁厚時不需考慮制造公差。CSA Z662—2015中的高蒸氣壓管道系統(tǒng)指按照ASTM D323—2008《石油產(chǎn)品蒸氣壓力的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法(瑞德法)》[15]測定的在38 ℃時蒸氣壓大于110 kPa的輸送液態(tài)或氣-液態(tài)烴的管道系統(tǒng)，低蒸氣壓管道系統(tǒng)指按照ASTM D323—2008測定的在38 ℃時蒸氣壓小于110 kPa的輸送液態(tài)或氣-液態(tài)烴的管道系統(tǒng)。GB 17930—2016《車用汽油》[16]中規(guī)定汽油蒸氣壓在40～85 kPa，參考此條規(guī)定，原油、成品油管道可按照低蒸氣壓管道系統(tǒng)考慮[17]。

2 國內(nèi)外管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中壁厚計算方法差異分析

2.1 中俄管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

俄羅斯管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中管道壁厚計算考慮的影響因素更為全面，例如載荷可靠性系數(shù)n、管道工作條件系數(shù)m、材料可靠性系數(shù)kL、鋼管用途可靠性系數(shù)kH等。我國管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中僅考慮了強度設(shè)計系數(shù)F、焊接接頭系數(shù)φ和溫度折減系數(shù)T等。

俄羅斯管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中還考慮了管道存在縱向和軸向壓縮應(yīng)力的情形，給出了管道雙軸受力狀態(tài)系數(shù)，計算過程較復(fù)雜。中國管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中則未考慮這種情形。

2.2 中美管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

對輸氣管道的壁厚計算方法，中美管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是相同的，僅部分參數(shù)表述略有差異。例如中國管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的焊接接頭系數(shù)φ，在美國管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中定義為軸向連接系數(shù)Ja，但其物理意義和取值依據(jù)是相同的。

對輸油管道的壁厚計算方法，中美管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)基本相同，差異在于美國管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定管道公稱壁厚應(yīng)為壓力設(shè)計壁厚加上螺紋和開槽輸送管裕量以及腐蝕裕量。螺紋和開槽輸送管指符合ASTM A193/A193M—2016《高溫設(shè)備用合金鋼和不銹鋼螺栓材料》[20]的螺栓連接件，不適用長輸管道[21]。美國管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，如采用保護措施，則無需考慮腐蝕裕量。我國對長輸管道已強制實施GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》[22]，陰極保護系統(tǒng)與新建管道同步建設(shè)和投入使用[23]，管道保護措施較完善，不需考慮管道壁厚腐蝕裕量。因此，公稱壁厚數(shù)值上等于壓力設(shè)計壁厚。

在相同工況條件下，按照中美管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)分別計算出的管道壁厚數(shù)值是相同的。

2.3 美加管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

美國和加拿大管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的壁厚計算方法基本相同，差異在于強度設(shè)計系數(shù)的數(shù)值和取值依據(jù)。美國管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了不同地區(qū)等級的強度設(shè)計系數(shù)，一級一類、一級二類、二級、三級及四級四度地區(qū)的氣體管道強度設(shè)計系數(shù)分別為0.8、0.72、0.6、0.5和0.4，液體管道強度設(shè)計系數(shù)為0.72。而加拿大管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中強度設(shè)計系數(shù)為定值，并規(guī)定了不同地區(qū)等級的位置系數(shù)，不同地區(qū)強度設(shè)計系數(shù)與位置系數(shù)的乘積見表2。

表2 加拿大管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中強度設(shè)計系數(shù)與位置系數(shù)乘積

美加管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中管道壁厚計算方法的差異在于，①無論是氣體管道還是液體管道，加拿大管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的強度設(shè)計系數(shù)均高于美國管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的。ASME B31.4—2016明確指出，強度設(shè)計系數(shù)已考慮了壁厚偏差/公差以及最大缺陷深度，強度設(shè)計系數(shù)數(shù)值不能超過0.72，特殊位置管段的強度設(shè)計系數(shù)數(shù)值可以低于0.72。②在相同工況條件下，按加拿大管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)得到的壁厚計算值小于按美國管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)得到的壁厚計算值。

3 管道壁厚計算示例

中國在哈薩克斯坦西部建設(shè)的某輸氣管道，管道所處地區(qū)等級為一級，管道材料采用X65鋼，管徑1 016 mm，設(shè)計壓力6.4 MPa，載荷(管道內(nèi)壓力)可靠性系數(shù)1.1，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度531 MPa，管道工作條件系數(shù)0. 75，材料可靠性系數(shù)1.34，鋼管用途可靠性系數(shù)1，計算抗拉強度 297.2 MPa，鋼管的最小屈服強度448 MPa，焊接接頭系數(shù)1，溫度折減系數(shù)1。采用中國、俄羅斯、美國和加拿大管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)計算得到的管道壁厚分別為10.08 mm、11.75 mm、10.08 mm和9.07 mm。

可以看出，采用各國管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)得到的壁厚計算值存在差異，按加拿大管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)得到的壁厚值最小，按中國和美國管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)得到的壁厚值相同，而按俄羅斯管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)得到的壁厚計算值最大，俄羅斯管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相對保守。

4 結(jié)論

(1)中國管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中考慮了強度設(shè)計系數(shù)、焊接接頭系數(shù)和溫度折減系數(shù)等。在此基礎(chǔ)上，美國和加拿大管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中考慮了腐蝕、螺紋等安全裕量。俄羅斯管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中針對壁厚計算考慮的因素最為全面，包括載荷可靠性系數(shù)、管道工作條件系數(shù)、材料可靠性系數(shù)及鋼管用途可靠性系數(shù)等。

(2)俄羅斯管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中壁厚計算的理論基礎(chǔ)是標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度，而中國、美國和加拿大管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中壁厚計算的理論基礎(chǔ)是鋼管的最小屈服強度，這是俄羅斯管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中壁厚計算方法偏保守的根本原因。

(3)加拿大管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的強度設(shè)計系數(shù)略高于中國和美國管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的，按照加拿大管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)得到的管道壁厚值最小。

(4)進行中亞國家長輸管道設(shè)計時，在執(zhí)行所在國家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，可參考我國管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或者美國管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。從減少管道投資成本角度考慮，可參考加拿大管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。采用國內(nèi)外管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進行壁厚設(shè)計時應(yīng)互相借鑒參考，必要時可采用通用管道設(shè)計軟件對壁厚計算值進行校核。