采用澳标进行油气管道线路设计的探讨

何祖祥，李春锋，王洪波，杨建中

中国石油管道局工程有限公司 设计分公司（河北廊坊065000）

0 引言

澳洲地区天然气资源丰富，该地区油气管道项目逐步成为中方市场开拓的一个重点，目前管道项目涵盖的地区范围主要包括澳大利亚、巴布亚、新几内亚等国家。澳洲油气管道设计的实施，需要及时了解掌握当地常用标准规范及工程常用设计方法，澳标从20世纪60年代起就开始进行长输管道标准化体系建设，目前已趋于成熟。鉴于其地域性和适用范围，国内针对澳大利亚技术标准研究偏少。

澳大利亚标准《气体和石油液体管道》AS 2885—2012系列主要包括：AS 2885.1—2012《设计和施工》、AS 2885.2—2012《焊接》、AS 2885.3—2012《运营和维护》、AS 2885.4—2012《海底管道系统》和AS 2885.5—2012《压力试验》。结合澳洲、巴布亚、新几内亚境内某长输油气管道项目的可行性研究设计（Pre-FEED），探讨其与常规线路设计方面的技术性差异。

1 地理信息系统（GIS）建立

在业主招标文件的工作范围中，提出要为管道项目建立GIS数据集，用于支持可行性研究设计阶段开展路由选择及线路设计等工作，并要求可行性研究设计结束后，把这些GIS数据移交给业主。这与常规做法有所不同，以往在可行性研究设计阶段只把GIS作为一种辅助选线及分析的手段，并没有系统全面地为单个项目建立独立的数据集以及数据移交。

项目业主只能提供管道沿线1:20×104地形图及部分喀斯特山区的LiDAR地形数据。为满足招标文件中提出的GIS要求，设计方结合自身积累和工程经验，收集大量公共GIS数据，查阅多个国际组织网站,包括国际自然保护联盟IUCN、联合国环境规划署UNEP、联合国科教文组织UNESCO、世界资源研究所WRI等；还包括多个国际基金专项研究网站，如全球火山计划、世界保护区数据库WDPA、斯坦福大学地理空间中心等，进一步对数据库进行补充，基本实现了管道所在区域多种基础地理数据和专题数据的全面覆盖。

数据收集整理完成后，设计方对这些数据进行处理，并将栅格地形图、专题数据录入ArcGIS软件平台中，建立该项目GIS数据集，开展桌面选线研究。然后进行现场踏勘调研，结合踏勘的影像照片资料和环境保护敏感区、现有可依托道路以及业主在该区域的工程建设经验，对线路进行优化调整。设计完成后把GIS数据集移交给业主，供业主下阶段设计或运营管理时沿用。

2 地区等级差异

2.1 地区等级分类

对公共活动较多的地段，目前输气管道设计采用的主要安全措施是增加管道壁厚，即增强管道抗外界破坏的应力水平来维护管道自身的安全。采用这种方式为管道周围的公众、建构筑物及其他设施提供安全保障。为了对公共活动进行量化，在设计标准中引入了地区等级的概念，并对不同地区等级的区段定义了相对应的设计系数，通过采取降低管道许用应力的方法增加安全裕度。

澳标中地区等级是按管道沿线土地利用类型来反映周围事物对管道本身或来自管道的威胁。在人口密度大的地方，不仅会导致管道破坏的活动水平增加，而且管道失效后的后果也将更严重。因此在人口较多的地区，公众需要受更严格的保护以防止管道失效造成影响。澳标中钢管的壁厚设计、管道后期运营中所面临的风险类型及级别等这些因素与地区等级的划分有关。但是对不同的地区等级采用同一个设计系数（一般段管道设计系数不超过0.8即可），然后按各地区等级中管道可能遭受的不同风险因素对壁厚进行核算，从而选取合适的钢管壁厚。

AS 2885.1—2012中规定按管道全孔破裂泄漏着火点热辐射能量值4.7 kW/m2所能影响到的距离，对管道沿线划分地区等级，分主要地区等级（表1）和次要地区等级（表2）两大类[1-2]，先划分主要地区然后再划分次要地区。

表1 主要地区等级划分

表2 次要地区等级划分

2.2 地区等级的量测距离差异

划分地区等级之前，首先要明确量测范围。我国输气管道国家标准（或美标）中地区等级划分依据为沿管线中心两侧各200 m（或美标中1/8英里）范围内，任意划分成长度为2 km（或美标中1.6 km，即1英里）并能包括的最大聚居户数。澳标中量测距离考虑的是输气管道在全孔破裂情况下热辐射率不小于4.7 kW/m2的范围，这种热辐射强度可能会在短时间（不到1min）内对影响范围内的公众造成伤害，目的是确保管道设计和运行中能够识别灾难性故障所导致危害的程度。

热辐射距离可以按照API 521—2014导则中的公式计算：

式中：D表示燃烧中心点到被考虑物体的最小距离，m；τ表示热强度传递系数，取1.0；F表示热辐射系数，取0.25（可根据工程情况适当调整）；Q表示热释放量，kW（与管径、压力、释放时间有关）；K表示允许的热辐射率，取4.7 kW/m2。

管道破裂失效影响的因素，不仅取决于人口密度，还取决于量测距离，并与管径大小和输送参数有关。比如R2地区等级的大口径管道周围2×104m2的区域面积可能会比T1地区等级的小口径管道面临更大的风险，尽管后者的地区等级要高[3]。

量测距离也可以查找AS 2885.1—2012附录Y中的图形粗略确定，附录Y图表只是给出了几类典型输送参数下的工况，对图表中没有的工况，需按上述热辐射距离公式进行计算。一般量测距离的精确性意义不大，合理的距离估计就足够（因为几米的误差并不会对人们因热量辐射所造成的伤害产生明显影响）。同样，公众或建构筑物超出量测范围也并不意味着它们完全不受管道失效的影响。

3 管道壁厚计算差异

澳标中设计系数不对应地区等级，管道壁厚计算基于风险设计，一般段设计系数不大于0.8。钢管壁厚除了要承受管道内压外，还要考虑外界各种破坏风险以及材料本身的特性要求等。因此虽然不同地区等级对应同一个设计系数，但是按环向应力计算出的钢管壁厚需要根据不同地区等级可能出现的风险实施校核，以验证选用壁厚满足不同的状况。管道壁厚计算应主要考虑的因素包括以下几个方面[4]：

1）腐蚀余量和管道制造公差。若管材用的板卷符合API 5L标准，制造公差可不考虑，但是无缝钢管应考虑制造公差。

2）管道内压。根据设计压力、管径及钢管许用应力计算出的壁厚。

3）管道壁厚要满足抗穿透能力。对T1和T2类等级的地区，因人口众多，面临第三方破坏风险增加，壁厚应能确保管道有一定的抗穿透能力，评估挖掘机斗齿或其他施工机具能否造成管道穿孔破坏。

4）管道壁厚要满足临界主要缺陷长度（CDL）的要求。在T1和T2类等级的地区，用加大钢管壁厚的方式来增加钢管临界缺陷长度，确保管道发生穿透缺陷时，不产生延性扩展。按设计所定义的最小临界缺陷长度，满足对钢管壁厚的要求，同时计算防止缺陷开裂的最小冲击韧性值。

5）壁厚满足应力应变准则。一般线路段组合应力不超过90%最低屈服强度。

6）壁厚满足断裂控制的要求。抗脆性断裂能力通过“落锤撕裂试验”来检验；延性断裂控制所需的最小韧性值计算参照Battelle简化公式或者其双曲线模型。

7）壁厚满足公路铁路穿越处应力准则，按API 1102核算。

上述壁厚计算及校核的公式可参见AS 2885.1—2012相关章节，另外还有一些其他需要考虑的因素，如壁厚能抵抗应力腐蚀开裂、壁厚应使管道达到足够的疲劳寿命、满足“特殊段施工”（特殊的穿跨越，定向钻外力失稳等）、试压允许的高差分析等，这些情况需根据具体的工程要求选择。

4 阀室间距差异

澳标中对输气管道在R1等级地区的阀室间距无具体要求，并不意味着可以任意设置，需考虑阀室间隔管段内天然气释放量和维抢修时间因素。一般来说，阀室间距的增加虽然减少了工程投资，但增加了事故发生时可能造成的潜在危害[5-6]，因此阀室间距设置需综合考虑经济效益和运行安全。

结合澳洲地区输气管道工程实践，对于R1地区等级，管道截断阀室间距一般控制在50～80 km。在R2等级地区，阀室间距最大为30 km，T1和T2等级地区阀室最大间距均为15 km。对于输油管道，在R1、R2地区阀室间距无要求，T1和T2地区最大间距均为15 km，其他阀室设置考虑因素与美标和国标中基本一致。

5 安全管理研究

安全管理研究（SMS）是设计中需要关注的一项内容，在AS 2885.1—2012中明确提出，在前期设计（如Pre-FEED/FEED）阶段，需要开展安全管理研究工作并形成报告提交。该报告涵盖风险分析的部分内容，其主要目的是：①分析识别对项目、环境及社会影响存在主要风险的高后果事件，并提出控制消减措施；②提供足够的信息，使业主或利益相关方能参与到监管及审批流程中，并对该项目相关的风险项与措施做出决策。

该研究执行过程中首先对管道沿线位置特征进行分析，按里程段列出对管道可能存在的潜在威胁源清单。对这些威胁源按点状、线状、面状分类，根据失效后果严重程度和发生概率计算矩阵得到风险级别，并从技术上或管理程序上采取防范措施以消除或减缓识别的风险，分析方法和结论编制成独立的安全管理研究报告。

6 结论

采用澳标开展管道线路设计时，与常规设计中的差异包括：

1）在设计前期一般为项目建立GIS数据集，用于线路选择与优化，并在后期传递与移交这些数据。

2）地区等级划分按热辐射率计算量测距离，根据量测距离内的土地利用类型特征和人口密度来确定主要地区等级和次要地区等级。

3）钢管壁厚计算中，设计系数并不对应地区等级，一般段设计系数不大于0.8。但是按内压计算的壁厚应参照不同地区等级的要求实施校核，以验证选取的壁厚满足抗穿透等风险。

4）阀室间距设置要综合考虑经济性和运营安全，R1地区规范中无明确间距要求，一般控制在50～80 km。

5）安全管理研究报告的大部分内容与线路设计相关，其目的是研究管道高后果事件及其应对策略，在设计阶段为业主提供足够的信息,以便为项目监管和批准过程中做出决策。