中亞地區新建管道壁厚計算方法探討

孫增武 趙 煒 郭發龍 李 磊 李欣妍

（1. 中國石油管道局工程有限公司國際事業部，河北 廊坊 065000；2. 中油國際管道公司中烏天然氣管道項目，北京 100007；3. 中國石油西南管道天水輸油氣分公司，甘肅 天水 741002；4. 中國石油天然氣股份有限公司管道濟南輸油氣分公司，山東 濟南 250000）

0 引言

中亞是我國能源戰略合作重點地區，已建設中亞天然氣管道A、B、C線和中哈原油管道，正在建設中亞天然氣管道D線[1]。中亞國家傾向于采用俄羅斯標準，由于中俄標準性質和技術水平存在差異，在中亞新建管道項目中應執行何種類型標準存在很大分歧，可能導致管道建設周期變長，或者管道建設成本增加[2]。應針對中國和俄羅斯管道設計標準進行對比分析。近年來，大口徑、高鋼級、高壓力管道已成為發展趨勢，管材費用約占管道建設投資的70%，耗鋼量與壁厚直接相關[3]。本文研究了中俄管道設計標準在壁厚計算方法的重要差異，闡述了俄羅斯基于管道抗拉強度計算壁厚的設計理念。結合典型輸氣管道設計示例，按照中俄管道設計標準給出了壁厚計算值。研究成果可為我國在中亞新建管道設計提供參考。

1 中國管道設計標準

中國國家標準GB 50251-2015《輸氣管道工程設計規范》參考美國標準ASME B31.8-2016《氣體輸送和配送管道系統》，按照管材屈服極限計算壁厚，簡潔方便，在歐美國家和我國廣泛采用。GB 50251規定輸氣管道直管段管壁厚度按照式（1）計算：

式中δ鋼管計算壁厚，mm；P設計壓力，MPa；D鋼管外徑，mm；sσ 鋼管的最小屈服強度，MPa；?焊縫系數，鋼管如符合國家標準GB/T 9711-2017《石油天然氣工業 管道輸送系統用鋼管》中的PSL2級，焊縫系數取1.0；F強度設計系數，輸氣管道一級一類、一級二類、二級、三級、四級地區強度設計系數為0.8、0.72、0.6、0.5和0.4；t溫度折減系數，當溫度小于120℃時，取值1.0。

2 俄羅斯管道設計標準

考慮焊接管道三通的可靠性，以及管道安全距離的要求，中亞國家和俄羅斯在2007年以前沒有設計壓力在10MPa以上的天然氣管道[4]。針對設計壓力10MPa以下的天然氣管道執行SNIP 2.05.06-1985（1998）《干線管道設計規范》，該標準是1985年為建設西伯利亞管道由前蘇聯建設部制定，用于指導大型管道設計施工，最新為1998年修訂版本。該標準規定管道壁厚按照式（2）和式（3）計算：

式中δ管道壁厚，mm；n載荷（管道內壓力）超載系數，取值1.1；P設計壓力，MPa；D管道外徑，mm；R1計算抗拉強度，MPa；m管道工作條件系數，管段等級為B、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ時，管道工作條件系數為0.6、0.75、0.75、0.9和0.9；kL材料安全系數，根據鋼管特性取值1.34、1.4、1.47和1.55，直縫鋼管取值1.34；kH鋼管用途可靠性系數，與管徑和設計壓力有關，介于1.0～1.1之間，一般取值1；標準抗拉強度，MPa。

3 中俄壁厚計算方法差異分析

3.1 設計理念

我國管道設計標準針對管道沿線人口密度劃分為四個地區等級，采用不同的強度設計系數，即根據管材屈服強度確定壁厚。由于地廣人稀，俄羅斯管道設計標準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、環境和制管工藝施工等，根據管材抗拉強度確定壁厚。

3.2 理論基礎

俄羅斯管道設計標準壁厚計算的理論基礎是基于標準抗拉強度，中國管道設計標準壁厚計算的理論基礎是基于鋼管的最小屈服強度。根據材料力學性能可知，管材抗拉強度大于最小屈服強度[9]，以API Spec5L-2012《管線鋼管規范》規定的PSL1等級X65鋼管的標準抗拉強度為535MPa，最小屈服強度為450MPa；X70鋼管的標準抗拉強度為570MPa，最小屈服強度為485MPa，這是俄羅斯管道設計標準壁厚計算方法偏保守的根本原因。

3.3 計算公式表達形式

俄羅斯管道設計標準針對壁厚計算考慮的因素更為全面，例如載荷超載系數、管道工作條件系數、材料安全系數、鋼管用途可靠性系數等，設置這些參數的目的是考慮管道腐蝕的安全余量，以及針對管道運行中維修、維護等不穩定行為的修正[5]。我國管道設計標準僅考慮了強度設計系數、焊縫系數和溫度折減系數等。

4 計算示例

中亞天然氣管道特點是管道沿線多為荒漠戈壁，地廣人稀；廣泛采用大管徑管道（1016～1420mm），但設計壓力等級較低，最大設計壓力僅為7.5MPa，不推薦采用10MPa以上設計壓力；主要采用X70和X65鋼級鋼管，不推薦使用X80及以上鋼級鋼管[6]。

示例1，中國在哈薩克斯坦西部建設的某輸氣管道，地區等級為一級，管材采用X65鋼級，管徑1016mm，設計壓力6.4MPa，載荷（管道內壓力）可靠性系數1.1，標準抗拉強度531MPa，管道工作條件系數0.75，材料可靠性系數1.34，鋼管用途可靠性系數1，計算抗拉強度為 297.2MPa；鋼管的最小屈服強度448MPa，焊縫系數1，溫度折減系數1。采用中國和俄羅斯管道設計標準的壁厚計算值如表1所示。

示例2，位于土庫曼斯坦的南約洛坦天然氣管道長度110km，管徑1420mm，地區等級為一級，管材采用X70鋼級，設計壓力7.5MPa，載荷超載系數1.1，標準抗拉強度570MPa，管道工作條件系數0.75，材料可靠性系數1.34，鋼管用途可靠性系數1.1，計算抗拉強度為290MPa；鋼管的最小屈服強度485MPa，焊縫系數1，溫度折減系數1。采用中國和俄羅斯管道設計標準的壁厚計算值如表2所示。

表1 中國和俄羅斯管道設計標準的壁厚計算值 （示例1）

可以看出，俄羅斯管道設計標準的壁厚計算值較大，俄羅斯管道設計標準相對偏于保守；隨著管道管徑由1016mm提高到1420mm，設計壓力由6.4MPa提高到7.5MPa，鋼管等級由X65提高到X70，中俄管道設計標準的壁厚計算值差值由1.67mm增加至4.39mm。

5 結論

（1）我國管道設計標準考慮了強度設計系數、焊縫系數和溫度折減系數；俄羅斯管道設計標準針對壁厚計算考慮的因素更為全面，例如載荷超載系數、管道工作條件系數、材料可靠性系數、鋼管用途可靠性系數等；

（2）俄羅斯管道設計標準壁厚計算的理論基礎是基于標準抗拉強度，中國管道設計標準壁厚計算的理論基礎是基于鋼管的最小屈服強度，這是俄羅斯管道設計標準壁厚計算方法偏保守的根本原因；

（3）在中亞國家進行長輸管道設計，從減少管道投資成本角度，在執行所在國家標準基礎上，可參考我國管道設計標準；

（4）隨著管道管徑由1016mm提高到1420mm，設計壓力由6.4MPa提高到7.5MPa，鋼管等級由X65提高到X70，中俄管道設計標準的壁厚計算值差值由1.67mm增加至4.39mm；

（5）采用國內外管道設計標準進行壁厚設計時應互相借鑒參考，必要時采用通用管道設計軟件，對壁厚計算值進行校核。