高钢级大口径天然气管道壁厚选择原则探讨

刘海龙，张凯灵，田海州，武思雨

（1. 国家管网集团北方管道有限责任公司秦皇岛输油气分公司，河北 秦皇岛 066000）

（2. 中国石油西南油气田公司输气管理处，四川 成都 610000）

（3. 国家管网集团西南管道有限责任公司天水输油气分公司，甘肃 天水 741002）

（4. 国家石油天然气管网集团有限公司北方管道公司建设项目管理中心，河北 廊坊 065000）

1 前言

大口径、高钢级、高压力是天然气管道发展方向。西气东输二线设计输量300×108m3/a，设计参数为管径1219mm、设计压力12MPa、X80钢级。中俄东线输量380×108m3/a，设计参数为管径1422 mm、设计压力12MPa、X80钢级。中俄东线代表了世界上X80钢级天然气管道建设最高水平，设计输量380×108m3/a、管径1422mm、设计压力12MPa。国内外规划和新建大输量天然气管道工程一般采用增大管径设计方案。确定科学、合理的壁厚可以降低管道投资成本，也是保证管道安全运行的基本条件[1]。阐述了GB 50251中长输管道壁厚计算方法应用于高钢级、大口径天然气管道时考虑的问题及影响因素，提出在高等级地区应结合基于管材断裂力学性能的许用厚度的观点。给出了高钢级（X70-X100钢级）、大口径天然气管道位于不同地区等级的壁厚参考值及选取原则，可为在新建天然气管道设计和在役管道安全运行提供指导。

2 管道壁厚计算方法及局限性

长输管道壁厚计算传统方法是按照第三强度理论，根据不同地区等级选择相应设计系数，保证管道内压力产生的环向应力应小于管材许用应力。国标GB 50251-2015《输气管道工程设计规范》规定输气管道直管段管壁厚度按照式（1）计算

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

随着在高寒、荒漠、山区等特殊环境铺设长输管道，管道沿线地质特征多样化。由于经济快速发展和城镇化人口扩张，管道地区等级可能发生变化。上述壁厚计算方法应用于高钢级、大口径天然气管道时，应考虑下列问题及影响因素：

（1）在一级地区采用0.8设计系数、降低壁厚的可行性；

（2）管道施工监理、焊接检验，包括焊接预热、焊缝分层焊接热作用影响以及根焊打磨处理和余高限制等；

（3）地形起伏高差造成管道低点腐蚀性积液留存聚集，特殊地貌造成滑坡和沉降；

（4）管道气质状况，包括管道运行期上游脱H2S、脱水、脱CO2以及阴极保护系统可靠性。

针对特殊环境地区管段，除按照GB 50251计算壁厚值，应进一步探讨管道壁厚的设计原则和选择条件。较高地区等级，人口密度大，仅通过增加壁厚值提高管道安全性，不能完全避免第三方破坏和地质灾害损毁管道，也应考虑大壁厚钢管制造生产的难度及可行性。

3 基于管材断裂力学性能的许用厚度

分析埋地管道受力状态，确定合理的壁厚值，保证服役期间管道系统处于平面应力平衡状态，满足基于屈服强度和许用应力的要求，同时满足管材断裂韧性要求[2]。壁厚值符合式（1），管材断裂韧性指标满足下式。

式中Kc断裂韧性指标，MPa/(mm)3/2；t管道壁厚，mm；σs管材最小屈服强度，MPa。

根据式（2），计算得到X70-X100钢级典型壁厚值对应的钢管落锤撕裂试验（DWTT）要求的塑性断裂韧性指标，见表1。调研新日本制铁公司NSC、日本JFE钢铁株式会社和欧洲钢管公司Europipe等国外钢管企业，高钢级钢管断裂韧性指标极限值为6500 MPa/(mm)3/2。因此X70、X80、X90和X100钢级管道壁厚最大值应分别限制在26.7mm、21.3mm、18.4mm和13.7mm。日本高钢级管线钢技术委员会统计分析X80 管线钢管DWTT试验数据，指出如管道壁厚大于25mm，管道受外力载荷失效对钢管缺陷敏感，部分验证了高钢级管道壁厚最大值限制的结论。考虑冶金技术水平影响管材力学性能，包括化学成分、组织状态和晶粒尺寸等；制管缺陷造成管材力学性能差异；钢管质量现场检验，包括工厂试压水平、分层及带状组织偏析、焊缝硬度水平等，都会对钢管力学性能和塑性性能产生影响[11]。管道实际许用厚度应尽量避免超过理论壁厚最大值限制。

表1 高钢级管材塑性断裂韧性指标

4 高钢级管道壁厚选定原则

参考国外典型高钢级、大口径输气管道工程，选定广泛应用的四种管道设计方案，分别是管径914mm、设计压力10MPa；管径1016mm、设计压力10MPa；管径1219mm、设计压力12MPa；管径1422mm、设计压力12MPa。目前X80钢级是国内外大型输气管道工程的首选钢级，X90以上钢级还没有大规模工程应用，选定X70、X80、X90和X100共4个钢级。高钢级、大口径天然气管道位于不同地区等级的壁厚参考值见表2至表3。

表2 高钢级、大口径天然气管道壁厚计算值

表3 高钢级、大口径天然气管道壁厚计算值（续表）

注：*标注指壁厚计算值超过理论壁厚最大值限制，管道设计中应谨慎采用。

综合表2和表3数据，可以得出以下结论：

（1）针对X70钢级钢管，管径914mm和管径1016mm适用于所有地区等级；管径1219mm和管径1422mm在三级地区和四级地区应谨慎采用。

（2）针对X80和X90钢级钢管，管径914mm和管径1016mm适用于所有地区等级；管径1219mm在三级地区和四级地区应谨慎采用；管径1422mm在二级地区、三级地区和四级地区应谨慎采用。

（3）针对X100钢级钢管，管径914mm和管径1016mm在四级地区应谨慎采用，管径1219mm和管径1422mm对于所有地区等级应谨慎采用。

（4）X90和X100钢级超高强度钢管适用地区范围减小，主要原因是随着管道屈服强度增加，对管道断裂韧性提出更高要求。一级地区采用0.8较高设计系数以减少管道壁厚，扩大适用地区范围，例如管径1422mm采用0.72和0.8设计系数，一级地区壁厚计算值由17.2mm降至15.4mm，已较接近理论壁厚最大值13.7mm，从理论上具备工程应用条件。

5 结束语

壁厚设计是长输管道线路设计的最重要内容，直接影响项目投资成本。研究表明，X70、X80、X90和X100钢级管道壁厚最大值应分别限制在26.7mm、21.3mm、18.4mm和13.7mm。随着我国高钢级输气管道快速发展，建议在一级地区采用较高设计系数，降低管道壁厚，充分发挥承压能力；在三级和四级地区，除按照GB 50251计算管道壁厚，还应考虑安全保护、腐蚀状况、制管施工缺陷等因素，确定合理壁厚值，避免超过理论壁厚值造成浪费，必要时进行应力和可靠度校核。