中美俄長輸管道設計標準關鍵問題探討

劉江波，孟虎林，于方涌，蔡亮，胡炎興

(1. 中國石油工程建設有限公司，北京 100120；2. 中國石油青海油田分公司 管道輸油處，青海 格爾木 816000；3. 中國航油集團 津京管道運輸有限責任公司，天津 300300)

中亞、中緬和中俄管道已成為中國重要的能源戰略通道[1]。為提高管道設計的科學性，維護中方利益，應研究國內外標準在管道工藝設計中的差異，包括管材、地區等級劃分、設計系數、壁厚計算和壓力試驗等方面[2]。中美標準較為接近，俄羅斯標準自成體系，管道設計原則各有側重點。國外管道行業廣泛采用ASME B 31.8： 2014《氣體輸送和配送管道系統》[3]。GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》[4]借鑒了美國標準在地區等級劃分、設計系數和壁厚計算的理念方法。俄羅斯長輸管道設計標準是СНиП 2.05.06： 1996《干線管道設計規范》[5]。通過研究國標、美標和俄標的重要技術差異，可為國內海外新建管道設計和驗收提供參考指導作用。

1 管 材

1)國標。國內長輸管道常用管材類型是直縫埋弧焊管、螺旋縫埋弧焊管、高頻電阻焊管和無縫鋼管[6]。GB 50251—2015規定：“長輸管道設計使用鋼材應滿足GB/T 9711—2017《石油天然氣工業 管道輸送系統用鋼管》的PSL2級，PSL2級質量等級和制管工藝水平高于PSL1級，包括化學成分、力學性能、沖擊功、無損檢測等參數指標”。

2)美標。ASME B 31.8： 2014規定：“所有符合API Spec 5L： 2012《管線鋼規范》的管材均可使用。”相對國標大幅擴展了可選用管材的范圍，例如PLS1范圍內等級A，B以及等級X42～X70的管材均可用于長輸管道。

3)俄標。СНиП 2.05.06: 1996規定：“干線管道應使用無縫鋼管、電焊直縫鋼管、螺旋焊縫鋼管等”。GOST R52079： 2005《天然氣、原油和成品油干線管道用焊接管件》規定了鋼級K34～K60，直徑114～1 420 mm，直縫和螺旋焊接鋼管的技術要求。

4)區別。國標和美標管材鋼級以字母X開頭(如X60)，數字表示最小屈服強度值。俄標管材鋼級以字母K開頭(如K60)，數字表示最小抗拉強度值。俄標強調管材的抗拉強度性能，高于國標和美標，例如K60管材最小屈服強度為440 MPa，相當于國標和美標X65管材的性能指標(最小屈服強度為450 MPa)；K60管材最小抗拉強度為590 MPa，相當于國標和美標X70管材的性能指標(最小抗拉強度為570 MPa)。

2 地區等級劃分

國標、美標和俄標關于地區等級劃分見表1～表3所列。國標和美標按照管道沿線人口密度和建筑物數量劃分地區等級，劃分為四個等級，國標戶數劃分區間為15～100戶，美標戶數劃分區間為10～46戶，國標相對美標更為寬松。近年來，國內國民經濟快速發展，特別是在三、四級地區人口和建筑物密度急劇增加，研究表明： 隨著管道運行管理技術提高，以及普遍實施完整性管理和內檢測評價技術，管道事故概率總體為降低趨勢[7]。從管道投資成本和運行管理角度，地區等級劃分中戶數可酌定由100戶提升至200戶。

表1 國標關于地區等級劃分的規定

表2 美標關于地區等級劃分的規定

表3 俄標關于地區等級劃分的規定

由于地廣人稀且大部分處于高寒地區，俄標未考慮管道沿線人口密度分布情況[8]。俄標根據管段類型(管道干線、站場工藝管道)、所在位置(穿跨越)、輸送介質(油、氣)等因素，劃分為四個等級和B級地區，按照管段類型、所在位置和輸送介質的風險等級，B級地區最高，其次是Ⅰ級地區。按照管段重要程度，站場工藝管道高于干線管道，輸氣管道高于輸油管道，穿跨越及與輸電線路交叉管道高于一般干線管道。

3 設計系數

針對強度設計系數，國標和美標基本一致，差異在于國標規定一級1類地區的管道強度設計系數可以采用0.80或0.72，美標規定一級1類地區的管道強度設計系數采用0.80，國標和美標關于強度設計系數的規定見表4所列。

表4 國標和美標關于強度設計系數的規定

俄標規定管段等級為B，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ時，管道工作條件系數為0.60，0.75，0.75，0.90和0.90，即從Ⅳ級到Ⅰ級和B級地區，管道工作條件系數逐漸降低。俄標中管道工作條件系數類似于國標和美標中的管道強度設計系數，即風險等級最高的B級地區的管道工作條件系數最小，對應于國標和美標中人口密度最大的四級地區的管道強度設計系數最小。在壁厚計算中，俄標還考慮了材料可靠性系數和鋼管用途可靠性系數，因此管道工作條件系數和管道強度設計系數的物理意義不完全相同。

4 壁厚計算

國標規定輸氣管道直管段管壁厚度按式(1)計算：

(1)

式中：δ——鋼管計算壁厚，mm；p——設計壓力，MPa；D——鋼管外徑，mm；σs——鋼管的最小屈服強度，MPa；φ——焊縫系數；F——強度設計系數；t——溫度折減系數，當溫度小于120 ℃時，取值1.0。

ASME B 31.8—2014規定： 根據輸氣管道系統設計壓力下的公稱壁厚按式(2)計算：

(2)

式中：δN——鋼管公稱壁厚，mm；DN——鋼管公稱外徑，mm；Ja——軸向連接系數。

СНиП 2.05.06—1996規定管道壁厚按式(3)和式(4)計算：

(3)

(4)

國標和美標壁厚計算的理念和方法是相同的，差異在于個別參數表述形式，國標中焊縫系數φ在美標中是軸向連接系數Ja，其物理意義是相同的，如管道工況和計算條件相同，按照國標和美標的壁厚計算值是相同的。

國標和美標壁厚計算的依據是鋼管最小屈服強度，俄標壁厚計算的依據是管材抗拉強度。一般情況下，管材抗拉強度大于屈服強度，這是俄標壁厚計算值較大、較保守的根本原因[9]，例如API Spec 5L： 2012規定： 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。以中亞位于一級地區輸氣管道為例，烏茲別克斯坦天然氣接入UCGP項目始于Gazli地區的DKC5管道，終止于UCGP的WKC2邊界的GCS壓氣站，管道干線長度為6.4 km，管徑為1 067 mm，采用X70管線鋼，設計壓力7.5 MPa，最小屈服強度485 MPa，最小抗拉強度570 MPa。按照國標、美標和俄標的壁厚計算值分別為11.46，11.46，14.76 mm。

5 壓力試驗

國標規定強度試驗時間不少于4 h，強度試驗壓力值見表5所列，試壓介質要求如下：

1)一級1類地區采用0.8強度設計系數的管段應采用水作試驗介質。

2)一級2類、二級地區的管段可采用氣體或水作試驗介質。

3)三、四級地區的管段應采用水作試驗介質。

4)三、四級地區的管段采用空氣作為強度試驗的條件是現場最大試驗壓力產生的環向應力分別小于50%和40%，管材最小屈服強度、最大操作壓力不超過現場最大試驗壓力的80%，且試驗管段是新管子、焊縫系數為1.0。

表5 國標關于強度試驗壓力值

美標規定管道干線試驗壓力大于30%管材最小屈服強度，壓力試驗應持續2 h，強度試驗壓力值見表6所列。其中：pMOP為最大操作壓力，不一定是最大允許操作壓力，pD為設計壓力，pT為試壓壓力。

表6 美標關于強度試驗壓力值 MPa

РД 153-39.4p-118： 2002《現役干線石油管道線路試驗規則》規定：“管道使用水或防凍液進行液體試驗，在高寒地區采取保溫措施和熱力計算進行水壓試驗[10]。水壓強度試驗持續時間為12 h。關于強度試驗壓力值，Ⅰ級和Ⅱ級輸油管道高點試驗壓力不小于1.25倍工作壓力；Ⅲ級和Ⅳ級輸油管道高點試驗壓力應不小于1.1倍工作壓力；B級輸油管道高點試驗壓力等于1.5倍工作壓力。干線石油管道低點的試驗壓力不大于制管出廠前試驗壓力”。

針對試壓介質，國標和美標在三、四級地區嚴格限制應力水平條件下允許氣體試壓。俄羅斯傾向于水壓試驗，即使高寒區管道也進行水壓試驗，禁止氣體試壓是俄標的先進之處。

針對強度試驗穩壓時間，國標為4 h，美標為2 h，俄標達到12 h，可以充分暴露管材裂紋和焊接缺陷，并驗證管道承壓能力[11]。

針對強度試驗壓力值，國標依據設計壓力，美標依據最大操作壓力，俄標依據工作壓力。一般的，管道最大操作壓力小于或等于設計壓力。

針對最大試壓強度，美標規定強度試驗按照p-V圖法進行監測，判定準則接近管材屈服強度，國標僅一級1類地區采用0.8強度設計系數的管段試壓采用p-V圖，其他地區等級的管段試驗強度不超過95%管材最小屈服強度。俄羅斯管道行業普遍進行高強度水壓試驗，最大試壓強度可達1.1倍管材最小屈服強度[12]。因此，從管道進行高強度水壓試驗方面，國標還存在一定差距。

6 結 論

1)針對管材選擇，國標相對美標更加嚴格，只選用PLS2等級鋼管。俄標在鋼級和性能方面重視管材的抗拉強度值，高于國標和美標。

2)國標和美標按照管道沿線人口密度、建筑物數量劃分地區等級，俄標根據管段類型、所在位置、輸送介質等風險等級因素劃分地區等級。

3)國標在一級1類地區可采用設計系數0.80或者0.72，美標在一級1類地區采用設計系數0.80，對應俄標的管道工作條件系數，但二者物理意義不完全相同。

4)國標和美標按照管材屈服強度和管道設計壓力計算壁厚，俄標按照管材抗拉強度和管道工作壓力計算壁厚。按照國標和美標的壁厚計算值是相同的，俄標的壁厚計算值高于國標和美標。

5)針對管道壓力試驗，國標、美標和俄標差異有以下幾方面：

a)針對試壓介質，國標和美標在嚴格限制應力水平條件下進行氣體試壓。俄標推薦水壓試驗，禁止氣體試壓。

b)針對強度試驗穩壓時間，國標為4 h，美標為2 h，俄標達到12 h，可充分暴露管道缺陷和驗證承壓能力。

c)針對強度試驗壓力值，國標依據設計壓力，美標依據最大操作壓力，俄標依據工作壓力。

d)針對最大試壓強度，國標僅一級1類地區采用0.80強度設計系數的管段達到管材屈服強

度，其他地區等級的管段試驗強度不超過95%管材屈服強度。美標和俄標最大試壓強度達到1.0～1.1倍管材屈服強度，國標與美標和俄標存在一定差距。