国内外管道设计标准中管道壁厚计算方法差异

王品贤， 夏俏健， 牛志勇， 李建国， 徐 硕， 马伟平

(1.中国石油天然气管道局工程有限公司 管道投产运行分公司， 河北 廊坊 065001；2.中国航空油料有限责任公司 温州分公司， 浙江 温州 325024；3.中国石油管道局工程有限公司 第四分公司， 河北 廊坊 065000；4.中国石油西南管道天水输油气分公司， 甘肃 天水 741002；5.中国石油管道科技研究中心， 河北 廊坊 065000)

“十三五”期间，我国建立了西北、东北、西南和海上四大油气长输管道战略通道[1]。中亚是中国石油海外投资重点地区，先后建设运营了中亚天然气管道A、B、C线和中哈原油管道，目前中亚天然气管道D线正在筹建中[2]。中亚国家管道设计执行北美国家、俄罗斯、中国的国家标准和ISO标准，各标准的技术水平存在的差异，导致在中亚地区建设大口径、高压力长输管道过程中产生很多问题[3]。例如管道项目中应执行何种类型标准、商讨管道设计依据标准耗费时间、管道建设周期变长、管道设计很难以最优方案实现等，造成管道建设成本增加。中亚天然气管道D线就因乌兹别克斯坦缺少高压管道设计标准造成管道投资增加[4]。

美国、加拿大和俄罗斯是世界上长输管道建设发达国家[5]。我国油气管道海外投资合作的增加，以及大口径、高钢级、高压力管道的发展，均要求相关方加强对国外管道设计标准的研究分析和应用[6-7]。文中分析研究了中国、俄罗斯、美国和加拿大管道设计标准中管道壁厚计算方法的差异，阐述了各标准管道壁厚计算方法中关键参数的含义和取值依据。结合典型管道设计示例，按照各国管道设计标准计算得出了管道壁厚计算值。

1 国内外管道设计标准中壁厚计算方法

1.1 中国管道设计标准

1.1.1 GB 50251—2015

GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》[8]中规定输气管道直管段管壁厚度按照式(1)计算：

(1)

式中，δ为钢管计算壁厚，D为钢管外径，mm；p为设计压力，σs为钢管的最小屈服强度，MPa；φ为焊接接头系数；F为强度设计系数，输气管道一级一类、一级二类、二级、三级和四级地区的强度设计系数分别为0.8、0.72、0.6、0.5和0.4；T为温度折减系数，温度小于120 ℃时T取1.0。

1.1.2 GB 50253—2014

GB 50253—2014《输油管道工程设计规范》[9]中规定输油管道直管段管壁厚度应按式(2)计算：

(2)

其中

[σ]=kφσs

(3)

式中，[σ]为钢管许用应力，MPa；k为设计系数，输油站外原油管道一般地段取k=0.72。

中国管道设计标准中输油管道和输气管道壁厚设计公式基本相同，差异在于输气管道壁厚计算中的强度设计系数按照地区等级取不同的数值，而输油管道的强度设计系数为定值。此外，输气管道壁厚计算中考虑了温度折减系数，当温度小于120 ℃时T取1.0。因此在油气管道运行温度范围内，温度折减系数对壁厚计算无实际影响[10]。

1.2 俄罗斯管道设计标准

SNIP 2.05.06-85—1997《干线管道设计规范》[11]中规定管道壁厚按照式(4)计算，如存在纵向和周向压缩应力，管道壁厚按照式(5)计算。

(4)

(5)

(6)

(7)

1.3 美国管道设计标准

1.3.1 ASME B31.8—2016

ASME B31.8—2016《气体输送和配送管道系统》[12]中规定输气管道系统设计压力下的公称壁厚计算式为：

(8)

式中，δn为公称壁厚，DN为公称外径，mm；Ja为轴向连接系数。

输气管道一级一类、一级二类、二级、三级和四级地区的强度设计系数F分别为0.8、0.72、0.6、0.5和0.4。当温度小于120 ℃时，T取1.0。

1.3.2 ASME B31.4—2016

ASME B31.4—2016《液态烃和其他液体管线运输系统》[13]中规定输油管道直管段压力设计壁厚计算公式为：

(9)

式中，t为压力设计壁厚，mm；pi为设计内压力，S为许用应力，MPa；钢管许用应力[σ]计算式与式(3)相同，设计系数k取0.72。

输油管道直管段公称壁厚计算公式为：

tn≥t+A

(10)

式(10)中，公称壁厚tn考虑了压力和安全裕量，A考虑了螺纹和开槽输送管裕量以及腐蚀裕量，如采用保护措施，则无需考虑腐蚀裕量。

1.4 加拿大管道设计标准

CSA Z662—2015《油气管道系统》[14]中规定给定设计压力下直管段的壁厚计算公式为：

(11)

式中，J为连接系数，对于无缝钢管、电焊钢管和埋弧焊钢管，J取1；L为位置系数，具体取值见表1。F取0.8，温度低于120 ℃时T取1.0。

表1 CSA Z662—2015中管道位置系数取值

CSA Z662—2015规定公称壁厚不能小于压力设计壁厚，还应加上腐蚀、螺纹等安全裕量，计算公称壁厚时不需考虑制造公差。CSA Z662—2015中的高蒸气压管道系统指按照ASTM D323—2008《石油产品蒸气压力的标准试验方法(瑞德法)》[15]测定的在38 ℃时蒸气压大于110 kPa的输送液态或气-液态烃的管道系统，低蒸气压管道系统指按照ASTM D323—2008测定的在38 ℃时蒸气压小于110 kPa的输送液态或气-液态烃的管道系统。GB 17930—2016《车用汽油》[16]中规定汽油蒸气压在40～85 kPa，参考此条规定，原油、成品油管道可按照低蒸气压管道系统考虑[17]。

2 国内外管道设计标准中壁厚计算方法差异分析

2.1 中俄管道设计标准

俄罗斯管道设计标准中管道壁厚计算考虑的影响因素更为全面，例如载荷可靠性系数n、管道工作条件系数m、材料可靠性系数kL、钢管用途可靠性系数kH等。我国管道设计标准中仅考虑了强度设计系数F、焊接接头系数φ和温度折减系数T等。

俄罗斯管道设计标准中还考虑了管道存在纵向和轴向压缩应力的情形，给出了管道双轴受力状态系数，计算过程较复杂。中国管道设计标准中则未考虑这种情形。

2.2 中美管道设计标准

对输气管道的壁厚计算方法，中美管道设计标准是相同的，仅部分参数表述略有差异。例如中国管道设计标准中的焊接接头系数φ，在美国管道设计标准中定义为轴向连接系数Ja，但其物理意义和取值依据是相同的。

对输油管道的壁厚计算方法，中美管道设计标准基本相同，差异在于美国管道设计标准中规定管道公称壁厚应为压力设计壁厚加上螺纹和开槽输送管裕量以及腐蚀裕量。螺纹和开槽输送管指符合ASTM A193/A193M—2016《高温设备用合金钢和不锈钢螺栓材料》[20]的螺栓连接件，不适用长输管道[21]。美国管道设计标准中规定，如采用保护措施，则无需考虑腐蚀裕量。我国对长输管道已强制实施GB 32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》[22]，阴极保护系统与新建管道同步建设和投入使用[23]，管道保护措施较完善，不需考虑管道壁厚腐蚀裕量。因此，公称壁厚数值上等于压力设计壁厚。

在相同工况条件下，按照中美管道设计标准分别计算出的管道壁厚数值是相同的。

2.3 美加管道设计标准

美国和加拿大管道设计标准中的壁厚计算方法基本相同，差异在于强度设计系数的数值和取值依据。美国管道设计标准中规定了不同地区等级的强度设计系数，一级一类、一级二类、二级、三级及四级四度地区的气体管道强度设计系数分别为0.8、0.72、0.6、0.5和0.4，液体管道强度设计系数为0.72。而加拿大管道设计标准中强度设计系数为定值，并规定了不同地区等级的位置系数，不同地区强度设计系数与位置系数的乘积见表2。

表2 加拿大管道设计标准中强度设计系数与位置系数乘积

美加管道设计标准中管道壁厚计算方法的差异在于，①无论是气体管道还是液体管道，加拿大管道设计标准中的强度设计系数均高于美国管道设计标准的。ASME B31.4—2016明确指出，强度设计系数已考虑了壁厚偏差/公差以及最大缺陷深度，强度设计系数数值不能超过0.72，特殊位置管段的强度设计系数数值可以低于0.72。②在相同工况条件下，按加拿大管道设计标准得到的壁厚计算值小于按美国管道设计标准得到的壁厚计算值。

3 管道壁厚计算示例

中国在哈萨克斯坦西部建设的某输气管道，管道所处地区等级为一级，管道材料采用X65钢，管径1 016 mm，设计压力6.4 MPa，载荷(管道内压力)可靠性系数1.1，标准抗拉强度531 MPa，管道工作条件系数0. 75，材料可靠性系数1.34，钢管用途可靠性系数1，计算抗拉强度 297.2 MPa，钢管的最小屈服强度448 MPa，焊接接头系数1，温度折减系数1。采用中国、俄罗斯、美国和加拿大管道设计标准计算得到的管道壁厚分别为10.08 mm、11.75 mm、10.08 mm和9.07 mm。

可以看出，采用各国管道设计标准得到的壁厚计算值存在差异，按加拿大管道设计标准得到的壁厚值最小，按中国和美国管道设计标准得到的壁厚值相同，而按俄罗斯管道设计标准得到的壁厚计算值最大，俄罗斯管道设计标准相对保守。

4 结论

(1)中国管道设计标准中考虑了强度设计系数、焊接接头系数和温度折减系数等。在此基础上，美国和加拿大管道设计标准中考虑了腐蚀、螺纹等安全裕量。俄罗斯管道设计标准中针对壁厚计算考虑的因素最为全面，包括载荷可靠性系数、管道工作条件系数、材料可靠性系数及钢管用途可靠性系数等。

(2)俄罗斯管道设计标准中壁厚计算的理论基础是标准抗拉强度，而中国、美国和加拿大管道设计标准中壁厚计算的理论基础是钢管的最小屈服强度，这是俄罗斯管道设计标准中壁厚计算方法偏保守的根本原因。

(3)加拿大管道设计标准中的强度设计系数略高于中国和美国管道设计标准中的，按照加拿大管道设计标准得到的管道壁厚值最小。

(4)进行中亚国家长输管道设计时，在执行所在国家标准基础上，可参考我国管道设计标准或者美国管道设计标准。从减少管道投资成本角度考虑，可参考加拿大管道设计标准。采用国内外管道设计标准进行壁厚设计时应互相借鉴参考，必要时可采用通用管道设计软件对壁厚计算值进行校核。