中國和俄羅斯管道壁厚計算方法差異研究

1中國石油長慶油田分公司第十一采油廠

2中國石油新疆油田分公司實驗檢測研究院

3中國石油工程建設有限公司西南分公司

4中國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”期間我國長輸管道實現跨越式發展，建立了西北、東北、西南和海上四大油氣戰略通道[1]。中亞和俄羅斯是中國石油海外投資合作重點地區，建設運營了中亞天然氣管道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中[2]。中亞國家在用標準多為所屬國、俄羅斯和中國標準的集合，中俄標準性質、層級不一致，標準技術水平也存在差異，可能導致管道建設周期變長，或者管道投資成本增加[3]。因此，應針對中國和俄羅斯管道設計標準進行對比分析[4]。本文研究了中俄管道設計標準在壁厚計算方法上的重要差異，闡述了俄羅斯基于管道抗拉強度計算壁厚的設計理念。結合典型管道設計示例，按照中俄管道設計標準給出了壁厚計算值。針對不同鋼級，提出了管道壁厚設計方法選擇建議。研究成果可為我國中亞新建管道的設計提供參考。

1 中國管道設計標準

1.1 GB 50251—2015

中國國家標準GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》規定輸氣管道直管段管壁厚度按照式（1）計算。

式中：δ為鋼管計算壁厚，mm；p為設計壓力，MPa；D為鋼管外徑，mm；σs為鋼管的最小屈服強度，MPa；?為焊縫系數，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為強度設計系數，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分別取0.8、0.72、0.6、0.5、0.4；t為溫度折減系數，當溫度小于120 ℃時，取1.0。

1.2 GB 50253—2014

中國國家標準GB 50253—2014《輸油管道工程設計規范》規定輸油管道直管段的鋼管管壁厚度應按式（2）和式（3）計算。

式中：δ為直管段鋼管計算壁厚，mm；[σ]為鋼管許用應力，MPa；k為設計系數，輸油站外原油管道一般地段取0.72。

中國管道設計標準中輸油管道和輸氣管道壁厚設計公式基本相同，差異在于輸氣管道的強度設計系數按照地區等級取不同的值，輸油管道的強度設計系數為定值；輸氣管道考慮了溫度折減系數，當溫度小于120 ℃時，取值1.0。在管道運行溫度范圍內，溫度折減系數對壁厚計算無影響[5]。

2 俄羅斯管道設計標準

2.1 SNIP 2.05.06-85—1997

俄羅斯標準SNIP 2.05.06-85—1997《干線管道設計規范》規定管道壁厚按照式（4）計算，如存在縱向和周向壓縮應力，管道壁厚按照式（5）計算。

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

2.2 ГОСТР 55989—2014

俄羅斯標準ГОСТР 55989—2014 《壓力10 MPa以上干線輸氣管道設計標準：基本要求》規定管道設計壁厚的計算公式為

式中：δ為管道設計壁厚，mm；δt、δy為根據抗拉強度極限和屈服強度極限確定的管道壁厚，mm；Rt、Ry為計算抗拉強度和計算屈服強度，MPa；mt、my為計算抗拉強度和計算屈服強度的管道工作條件系數，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為計算抗拉強度和計算屈服強度時的鋼管材料可靠性系數，根據高等級管線鋼管制造工藝，kt取值1.34，ky取值1.15；kn為鋼管材料可靠性責任系數，取值1.1；σt、σy為鋼管抗拉強度極限值和屈服強度極限值，MPa。

3 計算示例

3.1 鋼管等級X65鋼級

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1 016 mm，設計壓力6.4 MPa，標準抗拉強度531 MPa，鋼管的最小屈服強度448 MPa，按照中國標準GB 50251—2015和俄羅斯標準SNIP 2.05.06-85—1997計算的壁厚值分別為10.08 mm和11.75 mm。

3.2 鋼管等級X80鋼級

中俄東線天然氣管道，地區等級為一級，管材采用X80鋼級，管徑1 422 mm，設計壓力12 MPa，標準抗拉強度625 MPa，鋼管的最小屈服強度555 MPa。按照中國標準GB 50251—2015和俄羅斯標準ГОСТР 55989—2014計算的壁厚值分別為21.35 mm和25.15 mm，俄羅斯管道設計標準基于屈服強度計算的壁厚值為23.51 mm。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；隨著管道的設計壓力由6.4 MPa提高到12 MPa，鋼管等級由X65提高到X80，中俄管道設計標準的壁厚計算值差值由1.67 mm增加至3.8 mm。

4 管道壁厚計算方法差異

4.1 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。我國管道壁厚計算方法考慮了強度設計系數、焊縫系數和溫度折減系數[6]。

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[7]。俄羅斯管道壁厚計算方法涵蓋的因素更為全面，例如載荷可靠性系數、管道工作條件系數、管段性質等級、鋼管材料可靠性系數等。

俄羅斯管道設計標準壁厚計算的理論基礎是基于管材抗拉強度，中國管道設計標準壁厚計算的理論基礎是基于鋼管最小屈服強度。根據材料力學性能可知，抗拉強度大于最小屈服強度[8]，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535 MPa，最小屈服強度為450 MPa；X70鋼管的標準抗拉強度為570 MPa，最小屈服強度為485 MPa，這是俄羅斯管道設計標準壁厚計算值較大的根本原因。

4.2 適用范圍

俄羅斯標準SNIP 2.05.06-85—1997規定適用于公稱直徑小于1 400 mm、設計壓力在1.2～10 MPa的干線管道。俄羅斯標準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未明確規定適用管徑及壓力等級范圍，在條文說明中指出中國石油于2013年在西氣東輸三線管道西段建設了管徑1 219 mm、設計壓力12 MPa、X80鋼級、管段長度300 km、設計系數0.8的試驗管段，為本規范修訂提供了理論和實踐依據。我國西氣東輸二線已采用X80鋼級，但不處于高寒地區。中俄東線管徑1 422 mm、運行壓力12 MPa、X80鋼級，主要敷設于高寒凍土區。我國在高寒凍土區的管道施工技術和焊接質量還需提高，缺少極端氣候條件下的管道運行數據[9]。因此，應研究適用于高寒地區以及大口徑、高壓力、高鋼級的管道壁厚計算方法[10]。

5 管道壁厚計算方法選擇

5.1 高鋼級

中亞、中俄油氣管道屬于大口徑、高壓力、高鋼級管道，特點是管線鋼管隨著等級提高屈服強度與抗拉強度的比值（屈強比）增大[11]。屈強比越低，管材從初始塑性變形到最后斷裂的形變容量越大，可有效緩解因過載而產生的應力集中；但屈強比過低，會造成管材強度損失，導致壁厚過大。屈強比越高，從初始塑性變形到最后斷裂的形變容量越小，因此，隨著管線鋼管等級提高，管道安全裕量減小。有學者認為X65以上高等級鋼管或者高寒地區管道應采用極限載荷設計方法、可靠性設計方法等新的設計準則，以保證管道安全運行[12]。

以中俄東線天然氣管道一級地區為例，管徑1 422 mm，設計壓力12 MPa，采用不同等級的管線鋼管，按照俄羅斯標準ГОСТР 55989—2014，分別基于管材抗拉強度和屈服強度計算壁厚值（圖1）。

可以看出，管線鋼管等級高于X65，按照抗拉強度計算的壁厚值將會大于按照屈服強度計算的壁厚值。俄羅斯標準ГОСТР 55989—2014采用了抗拉極限設計準則，其設計理念反映了高鋼級鋼管材料特性的變化，即隨著鋼管等級提高，材料屈強比增加，管材從發生屈服到斷裂的裕量變小。從管道安全運行角度考慮，管線鋼管等級高于X65，應按照俄羅斯標準ГОСТР 55989—2014進行管道壁厚設計計算。如按照中國標準GB 50251—2015進行管道壁厚設計計算，應有充分數據證明其可靠性，否則管道壁厚設計應考慮一定的安全裕量。

圖1 按照俄羅斯標準針對不同鋼管等級抗拉強度和屈服強度的壁厚計算值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

以中俄東線天然氣管道一級地區為例，管徑1 422 mm，設計壓力12 MPa，采用不同等級的管線鋼管，按照中國標準GB 50251—2015、俄羅斯標準ГОСТР 55989—2014以及俄羅斯標準ГОСТР 55989—2014基于管材抗拉強度計算壁厚值（圖2）。可以看出，俄羅斯管道設計標準的壁厚計算值較大，鋼管等級由X42提高到X80，中俄管道設計標準的壁厚計算值差值最小值為2.89 mm，最大值為4.13 mm，該差值范圍可作為管線鋼管等級高于X65時，按照中國標準GB 50251—2015進行管道壁厚設計的安全裕量。

管線鋼管等級低于X65，從節省管道成本角度考慮，應首選按照中國標準進行管道壁厚設計，采用俄羅斯標準偏于保守。如中亞國家不能執行中國標準，在與外方商討、談判管道設計所依據標準時，可采用俄羅斯標準基于抗拉強度進行管道壁厚設計，將此作為一種折中或者備選的方案，盡可能地為我國爭取經濟利益。

圖2 中國標準和俄羅斯標準針對不同鋼管等級的壁厚計算值Fig.2 Wall thickness calculation values of different steel pipe grades in Chinese and Russian standards

6 結論

（1）中國和俄羅斯管道設計標準理念不同，中國標準考慮管道沿線人口密度，采用不同強度設計系數，根據管材屈服強度確定壁厚。俄羅斯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。

（2）中國和俄羅斯管道壁厚計算方法不同，我國管道壁厚計算方法考慮了強度設計系數、焊縫系數和溫度折減系數。俄羅斯管道壁厚計算方法涵蓋的因素更為全面，如載荷可靠性系數、管道工作條件系數、管段性質等級、鋼管材料可靠性系數等。

（3）俄羅斯管道設計標準的壁厚計算值較大，以輸氣管道為例，設計壓力6.4 MPa、管徑1 016 mm、管材X65，中俄管道設計標準的壁厚計算值分別為10.08 mm和11.75 mm；設計壓力12MPa、管徑1 422 mm、管材X80，中俄管道設計標準的壁厚計算值分別為21.35 mm和25.15 mm，中俄管道設計標準的壁厚計算值差值由1.67 mm增加至3.8 mm。

（4）俄羅斯管道設計標準基于管材抗拉強度的理念，能夠反映X65及以上高鋼級鋼管材料特性的變化；中國管道設計標準則未明確規定適用的管道直徑、壓力、鋼管等級，具有一定技術局限性。

（5）管線鋼管等級高于X65，從管道安全運行角度考慮，應按照俄羅斯標準進行管道壁厚設計計算，如采用中國標準應考慮安全裕量；管線鋼管低于X65，從節省管道成本角度考慮，應按照中國標準進行管道壁厚設計，如不能執行中國標準，可采用俄羅斯標準基于抗拉強度進行管道壁厚設計。