基于可靠性方法的输气管道设计系数选择探讨

王宏召 托 博 姜 旭 蔡 亮 张潇涵

（1. 中交城市能源研究设计院有限公司，辽宁 沈阳 110026；2. 廊坊中油朗威工程项目管理有限公司，河北 廊坊 065000；3. 中国石油天然气销售陕西分公司，陕西 西安 710000；4. 中航油京津冀物流有限公司，天津 300300；5. 甘肃中石油昆仑燃气工程设计（咨询）有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

天然气在优化能源结构及促进经济发展中具有优越性。建设大口径、高钢级、高压力输气管道更为经济，国内外以X80钢级作为新建输气管道的优选钢级。我国天然气管道依据强度应力准则，输气管道1级地区采用0.72设计系数，不能充分发挥管材性能[1]。设计系数旨在是将管材制造、施工、运行等方面的不确定性集中表征为单一经验性系数。随着冶金制管工艺水平提高，以及管道施工运行技术进步，提出了输气管道1级地区采用0.8设计系数的设想。国外输气管道采用0.8设计系数获得巨大效益，显著降低用钢量和征地，提高管道许用压力和输送效率。国外在地震断裂带应用基于可靠性管道设计方法，可作为评价设计系数适用性的依据。借鉴可靠性理论方法，研究高钢级管道设计系数适用性具有重要意义。

1 标准规范中管道设计系数规定

美国输气管道采用0.8设计系数已纳入标准规范，ASME B31.8-2014《气体管道和燃气管道系统》规定1级1类地区设计系数是0.8，1级2类地区设计系数是0.72。1级地区含义是在规定的1.6km管段内有人定居的建筑物≤10个，主要是戈壁、沙漠、山区等人烟稀少地区，但未给出1类和2类地区的实际意义。20世纪60年代加拿大输气管道已采用0.8设计系数，CSA Z662-2015《油气管线系统》规定长输管道壁厚计算中设计系数取值0.8。国际标准ISO 13623-2009《管道输送系统》规定1级地区设计系数是0.83。

国标GB 50251-2015《输气管道工程设计规范》要求1级1类地区（极少有人活动和无人员居住区域）设计系数是0.8，1级2类地区（人口密度小于15户区域）设计系数是0.72；2级、3级、4级地区设计系数分别是0.8、0.72、0.6、0.5和0.4，2级地区指人口密度在15户至100户的区域；3级地区指人口密度大于100户的区域；4级地区指人口、建筑物高度集中、交通繁忙、埋地设施密集的区域。GB 50251在地区等级划分和设计系数与ASME B31.8基本相同，人口密度考虑我国实际情况略有调整，解决了我国地质环境多样化、人口密集、管道建设安全距离难以保证等问题。

2 管道设计系数涵义及应用局限性

输气管道设计是依据第三强度理论的基于应力的准则，即管道输送压力造成的环向应力值不超过钢管许用应力，环向应力表示为管材最小屈服强度（Specified Minimum Yield Strength，SMYS）乘以设计系数，如式（1）所示。

式中σ管壁环向应力，MPa；p管道输送压力，MPa；D管径，m；t壁厚，m；[σ]管材许用应力，MPa；F设计系数；σy管材最小屈服强度，MPa。

水压试验是确定管道最大运行压力（Maximum Allowable Operating Pressure，MAOP）的重要技术手段。上世纪钢管出厂前水压试验强度不允许超过0.9 SMYS，运行压力考虑0.8富余量，管道环向应力最高是0.72SMYS，即采用0.72设计系数。随着大强度水压试验推广，试压强度已超过管材最小屈服强度，提出将管道设计系数提高至0.8的建议。现行标准中根据地区等级选取设计系数，认为管道潜在危害与人口密度相关，但人口密度直接影响管道失效后果，风险等于概率与后果的乘积，现行设计系数是不全面的。随着管道制造、施工和运行技术进步，应借鉴可靠性理论方法对设计系数进行评估。

3 基于可靠性的设计方法

基于可靠性的设计方法基本思想是计算管道极限状态下载荷，定量分析影响因素及程度，与基于应力准则的传统方法相比，避免不合理或过于保守设计。国际标准ISO 16708-2006《管道输送系统-基于可靠性的极限状态方法》，在管道通过地震断裂带进行了应用。中石油开展课题“天然气管道基于可靠性的设计和评价方法研究”，结合我国管道设计施工运行实践，建立了基于腐蚀、第三方破坏和缺陷的天然气管道可靠性模型和评价方法。利用可靠性设计方法评估设计系数的思路是收集大量输气管道设计案例，满足目标可靠度条件下反算设计系数，并与标准规范的设计系数对比。

收集国内约3.5万km输气管道200多项设计案例，涵盖4个地区等级、5种压力等级（4MPa、6.4MPa、8MPa、10MPa和12MPa）、5种钢级（X52、X60、X65、X70和X80）和9种管径（323mm、426mm、508mm、610mm、660mm、711mm、813mm、1016mm、1219mm）。目标可靠度是管道基于可靠性设计的评价准则，综合考虑中国天然气管道行业的社会风险水平、期望社会风险水平和个体风险水平，失效概率考虑管道服役期间的大型泄漏失效概率和破裂失效概率。天然气管道极限状态目标可靠度计算模型如下：

式中RT目标可靠度，无因次；ρ人口密度，人/公顷；P设计压力，MPa；D管径，mm。

GB 50251-2015《输气管道工程设计规范》要求输气管道壁厚值根据式（3）计算。

式中δ管道壁厚值，mm；P运行压力值，MPa；D管径，mm；sσ管材最小屈服强度，MPa；ϕ焊缝系数；F设计系数；t温度折减系数。

根据国标GB 50251中壁厚计算方法，以及天然气管道极限状态目标可靠度计算模型，统计分析国内管道案例对应的设计系数，基于可靠性的设计方法对应的设计系数规律如下：

（1）针对323mm、426mm和508mm小管径管道，一级、二级、三级、四级地区设计系数分别为0.62、0.55、0.5和0.45，整体上小于GB 50251中规定的设计系数；

（2）针对610mm和660mm中等管径管道，一级、二级、三级、四级地区设计系数分别为0.72、0.65、0.6和0.55，整体上与GB 50251中规定的设计系数相当；

（3）针对711mm、813mm、1016mm和1219mm大管径管道，一级、二级、三级、四级地区设计系数分别为0.8、0.72、0.65和0.6，整体上大于GB 50251中规定的设计系数。

4 结语

通过开展国内外管道设计标准差异分析，计算分析基于可靠性方法计算国内管道案例的设计系数，结论如下：

（1）随着制管工艺和管道施工、运行、维护技术进步，X80管线钢管的屈服强度、断裂韧性和可焊接线等性能显著提升，高钢级输气管道具备更强的抗风险能力，传统的基于许用应力的设计方法的合理性值得商榷，基于可靠性的设计方法综合考虑管道系统失效概率和后果，更为科学合理；

（2）随着输气管道大口径、高钢级、高压力的趋势，基于可靠性的设计方法对应的设计系数大于GB 50251中规定的设计系数，设计壁厚偏于保守；

（3）输气管道一级地区宜考虑采用0.8设计系数，降低管道建设投资，提高经济性；针对山区、水网等特殊环境管段进行应力校核，并评估增大设计系数对管道系统运行风险的影响。