中美俄输气管道工艺设计标准差异研究

高长征 刘倩 蔡亮 王宏武 宋雨

1中国石油华北油田分公司第三采油厂

2中国石油勘探开发研究院

3中国航油集团津京管道运输有限责任公司

4中国石油青海油田分公司管道输油处

5中石油山东天然气管道有限公司

我国在中亚建设运营多条油气管道，已成为重要能源的战略通道[1]。研究国标、美标和俄标在管道输送工艺的差异非常重要，包括地区等级划分、壁厚计算和压力试验。壁厚是影响管道投资成本的最重要因素，压力试验是验证管道完整性和机械强度的可靠手段[2]。美国标准ASME B31.8—2014《气体输送和配送管道系统》被国际管道行业公认且应用广泛。结合我国长输管道工程经验，借鉴ASME B31.8 先进经验，制定了国家标准GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》。俄罗斯标准与管道行业相关的是建筑标准规范CHиП、俄罗斯国家标准ГOCT、设计施工标准CП和部级标准BCH[3]，例如CHиП 2.05.06—1996《干线管道设计规范》，该标准是1985 年为建设西伯利亚管道由前苏联建设部制定，用于指导大型管道设计施工，最新为1998年修订版本。通过研究国标、美标和俄标的重要技术差异，可为中亚新建管道设计和在役管道安全运行提供参考和指导作用。

1 地区等级划分

地区等级划分是确定管道设计系数的依据，也是管道设计的基本条件。国标、美标和俄标关于地区等级划分见表1、表2、表3。

国标和美标按照管道沿线人口密度、建筑物数量等因素划分地区等级，划分为四个等级，国标相对美标更为宽松。国标考虑我国社会经济发展迅速和人口密度增加的情况，随着管道运行控制技术提高以及实施完整性管理措施，管道事故概率总体降低[4]。从管道运行管理角度，地区等级划分中户数可酌定由100 户提升至200 户。俄标根据管段所处位置、类型以及配备的设备功能等因素，划分为四个等级和B 级地区，管段地区等级为B、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ时，管道工作条件系数为0.6、0.75、0.75、0.9 和0.9，即从Ⅳ级到Ⅰ级，管道工作条件系数逐渐降低，B级地区工作系数最低。从管段类型、重要程度和所处地区风险等级，B级地区最高，其次是Ⅰ级地区。

表1 国标GB 50251关于地区等级划分的规定Tab.1 National standard GB 50251 provisions on location classification

表2 美标ASME B31.8关于地区等级划分的规定Tab.2 American standard ASME B31.8 provisions on location classification

表3 俄标CHиП 2.05.06关于地区等级划分的规定Tab.3 Russia standard CHиП 2.05.06 provisions on location classification

2 壁厚计算

2.1 国标GB 50251壁厚计算

国标GB 50251 规定，输气管道直管段管壁厚度按照式（1）计算

式中：δ为钢管计算壁厚，mm；p设计压力，MPa；D为钢管外径，mm；σs为钢管的最小屈服强度，MPa；ϕ为焊缝系数；F为强度设计系数；t为温度折减系数，当温度小于120 ℃时，取值1.0。

2.2 美标ASME B31.8壁厚计算

美标ASME B31.8 规定，输气管道系统设计压力下的公称壁厚按式（2）计算

式中：δn为公称壁厚，mm；p为设计压力，MPa；DN为公称外径，mm；σs为钢管的最小屈服强度，MPa；F为强度设计系数；Ja为轴向连接系数；t为温度折减系数。

2.3 俄标CHиП 2.05.06壁厚计算

俄标SNIP 2.05.06 规定，管道壁厚按照式（3）和式（4）计算

式中：δ为管道壁厚，mm；n为载荷（管道内压力）可靠性系数；p为设计压力，MPa；D为管道外径，mm；R1为计算抗拉强度，MPa；m为管道工作条件系数；kL为材料可靠性系数；kH为钢管用途可靠性系数；为标准抗拉强度，MPa。

2.4 国标、美标、俄标壁厚计算差异

国标和美标壁厚计算方法是相同的，仅部分参数表述略有差异，国标中焊缝系数ϕ，在美标中是轴向连接系数Ja，但其物理意义是相同的，因此在相同工况条件下，按照国标和美标的壁厚计算值是相同的。国标壁厚计算的依据是钢管最小屈服强度，俄标壁厚计算的依据是管材抗拉强度。根据材料力学性能可知，抗拉强度大于最小屈服强度[5]，以API Spec5L—2012《管线钢管规范》规定的PSL1等级X65 钢管的标准抗拉强度为535 MPa，最小屈服强度为450 MPa。这是俄标壁厚计算值较大的原因。

以中亚位于一级地区的空旷戈壁地区某输气管道为例，管径1 067 mm，设计压力10 MPa，最高工作压力9.81 MPa，采用X70管线钢，最低屈服强度483 MPa，最低抗拉强度565 MPa，按照国标、美标和俄标的壁厚计算值分别为15.34、15.34 和17.94 mm。

3 压力试验

3.1 国标GB 50251压力试验

国标GB 50251 规定试验介质应符合下列规定：①位于一级1 类地区采用0.8 强度设计系数的管段应采用水作试验介质；②位于一级2类、二级地区的管段可采用气体或水作试验介质；③位于三、四级地区的管段应采用水作试验介质；④三、四级地区的管段采用空气作为强度试验的条件是现场最大试验压力产生的环向应力分别小于50%和40%管材最小屈服强度，最大操作压力不超过现场最大试验压力的80%，且试验管段是新管子、焊缝系数为1.0。国标GB 50251强度试验要求见表4。

表4 国标GB 50251强度试验要求Tab.4 National standard GB 50251 on strength test requirements

3.2 美标ASME B31.8压力试验

美标ASME B31.8 规定试验压力大于30%管材最小屈服强度的管道干线，应进行至少2 h 的压力试验（表5）。

3.3 俄标PД 153-39.4p-118压力试验

表5 美标ASME B31.8强度试验要求Tab.5 American standard ASME B31.8 on strength test requirements

3.4 国标、美标、俄标压力试验差异

针对试压介质，国标和美标一致。针对强度试验稳压时间，国标为4 h，美标为2 h。针对强度试验压力值，国标和美标基本一致，差异在于国标依据设计压力，美标依据最大操作压力，一般地，管道的最大操作压力小于等于设计压力，针对最小试验压力值，国标要求略高于美标。针对最大试验压力值，美标规定强度试验按照压力-体积图法进行监测，接近管材屈服强度[6]。国标仅针对一级1 类地区强度设计系数为0.8的管道采用压力-体积图法监测，其他地区等级管道试压强度不超过95%管材屈服强度。因此，从管道应用高强度水压试验角度，国标和美标还存在差距。此外，美标还给出了按照试验压力确定最大允许操作压力的规定，综合考虑了最大允许操作压力和设计压力的逻辑关系，具有借鉴意义。

气体试压可能造成管道长距离撕裂事故，国标和美标严格限定气体试压应力水平，三级和四级地区最大环向应力分别小于0.5σs和0.4σs。俄罗斯新建油气管道已不允许使用气体作为试压介质，包括管道清管、测径都不能使用气体推动。中亚天然气管道A、B、C 线沿线虽然水源匮乏，仍利用河渠水源进行水压试验，包括在冬季采用加热和保温措施进行水压试验。针对试压介质，俄罗斯倾向进行水压试验，即使位于高寒区管道，也不推荐气体试压，这是俄标的先进之处[7]。

针对强度试验稳压时间，俄标相对国标和美标更长，达到12 h，有助于充分暴露管材裂纹和焊接缺陷。针对最小试验压力值，俄标依据工作压力，这点与国标和美标不同。从最大试验压力值，管道试压强度最低满足0.95倍管材标准屈服强度。调研可知，从21 世纪80 年代至今，俄罗斯管道已普遍进行高强度水压试验，高压力液体试压强度可达1.1倍管材标准屈服强度[8]。这也是国标和俄标存在的差距。

4 结论

（1）国标和美标按照管道沿线人口密度、建筑物数量划分地区等级，随着我国经济快速发展和管道运行控制技术的提高，地区等级中户数应酌情提高。俄标根据管道所处位置、设备类型和功能等因素划分地区等级，从管段类型、重要程度和所处地区风险等级，B级地区最高，其次是Ⅰ级地区。

（2）国标和美标按照管材屈服强度和管道设计压力计算管道壁厚，按照国标和美标的壁厚计算值是相同的。俄标按照管材抗拉强度和管道工作压力计算管道壁厚，按照俄标的壁厚计算值高于国标和美标。

（3）管道试压介质、时间和强度试验压力值，国标、美标和俄标存在较大差异。针对试压介质，国标和美标一致，在严格限定应力水平条件下允许采用气体作为试压介质；俄罗斯倾向进行水压试验，即使位于高寒区管道，也不推荐气体试压，这是俄标先进之处。针对强度试验稳压时间，国标为4 h，美标为2 h，俄标相对国标和美标更长，达到12 h，有助于充分暴露管材裂纹和焊接缺陷。针对强度试验压力值，国标依据设计压力，美标依据最大操作压力，俄标依据工作压力。针对最大试压强度，国标中一级1 类地区采用0.8 强度设计系数的管道达到了管材屈服强度，其他地区等级管道试验强度不超过95%管材屈服强度；美标和俄标普遍进行高强度水压试验，最大试压强度达1.0～1.1 倍管材屈服强度，国标与美标和俄标存在差距。