加长管应用全生命周期费用探讨*

侯杰廷，朱小丹，陈 彬，周文静

（1.国家石油天然气管网集团有限公司建设项目管理分公司，河北 廊坊 065001；2.中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

1 加长管应用的优势和现状

管道系统的本质安全主要涉及钢管本体和环焊缝，而环焊缝是整个管道系统最为薄弱的环节。由于长输管道焊接施工现场的环境因素复杂多变（包括地形条件、气象条件等），管道环焊缝的焊接质量控制存在一定的难度，特别是随着管线钢管直径、壁厚的增大以及钢级的提高，使该问题尤为明显[1-2]。降低管道环焊缝失效概率最简单有效的办法就是减少环焊缝数量，随着单根管长的增加，焊缝数量的减少幅度随之增大。若将单根钢管长度从12 m 提高到18 m，环焊缝数量降幅将达33.3%，现场焊接工作量降低且施工工期更短，因此加长管的应用具有明显的优势[3-4]。

鉴于加长管应用的优势，国内外部分项目已采用了加长管。如加拿大CNRL 油砂项目、国内中俄东线南段、江苏滨海LNG（安徽天长—合肥段）管线均已部分使用了18 m 加长管。受制于加长管在钢管制造、建设施工、运营维护等多个方面因素，以及与传统12 m 钢管的差异，相关加长管工程应用段落普遍较短[5]。为满足加长管在后期工程中大规模应用，有必要对加长管应用全生命周期费用进行探讨，为加长管的应用提供经济方面的参考。

2 管道全生命周期费用计算方法与工况构建

2.1 全生命周期费用计算方法

管道全生命周期费用Cfc包括建设期费用Ccc（管材制造和施工等）、运营期费用Coc（运行和维护等） 和潜在损失费用Cplc（管道失效后果）[6-7]，管道的全生命周期费用的构成可用公式（1）来表示[8]，即

本研究结合中俄远东天然气管道工程、西气东输三线和四线天然气管道工程18 m 加长管应用情况，按照国家石油天然气管网集团有限公司《建设项目初步设计概算编制细则》，根据国家石油天然气管网集团有限公司《建设项目全费用工程量清单单价》确定建设期成本。通过对加长管概算指标进行分析，综合对比加长管与12 m 组别管道建设期费用。

管道的运行费用主要包含巡检费、内检测费和运维管理费，参考张金源等[9]对运行费用的运营期算法及各参数数值选取原则，确定了长输管道一般按固定资产原值（扣除建设期利息） 的2.5%进行管道运行费用的计算，通过费用现值（包含Ccc+Coc）来体现方案的经济效果[10]。

管道失效后的潜在损失费包括运营期30 年内管体每年总的失效（小泄漏、大泄漏、破裂）后的损失费用以及环焊缝破裂失效的损失费用[11]，并且针对失效事件的直接抢修费（包括设备、材料和施工费、维抢修时的管段气体放空损失费、运行中断损失的输送收益费、失效事故引起的人员伤亡补偿费）进行综合考虑[12]。

2.2 典型工况构建

基于国内项目中俄东线天然气管道、西气东输三线和四线天然气管道等工程应用经验，考虑到后续工程对加长管的应用情况，选取1 219 mm管径、18.4 mm壁厚的12 m和18 m长度的直缝埋弧焊管，按照100 km 管道考虑构建典型工况，具体工况参数见表1。

表1 全生命周期费用计算典型工况

3 加长管应用全生命周期费用分析计算

3.1 管道建设期费用

3.1.1 钢管制造费用

针对18 m 直缝埋弧焊管，根据对中国宝武钢铁集团有限公司和中油宝世顺（秦皇岛）钢管有限公司的调研，其制造成本略有提高，主要因素为损耗增加和设备效率降低两个方面。由12 m变为18 m，钢板轧制由双倍尺变为单倍尺，长板成型不良率增加致使损耗增大，镰刀弯增大引起铣边余量增加。此外，钢管制造过程中厂内接驳周转难度增大，制造成型压力增加，机械冷扩径装置和水压机打压时间等方面均有一定的降效影响。综合分析制造费用环节，总体费用增加约为150～300 元/t（含防腐），本研究按照费用增加199元/t开展相关费用计算。

3.1.2 管厂至中转站运输费用

18 m 钢管采用重型平板挂车运输，该车型车厢尺寸为17.5 m×3 m，载重32 t。经过测算分析，12 m 管采用13 m 高栏车运输，一车可装载4 根（26.1 t）；18 m 管采用17.5 m 板车运输，对于Φ1 219 mm×18.4 mm 规格钢管，一车可装载3 根（29.4 t），且运输吨亏比率最小。但受17.5 m 平板车型市场保有量影响，运输费用较12 m钢管有所提升。考虑到其他壁厚和管径的钢管对装载率有较大影响，经对管厂综合调研和计算，运输单价上涨约0.13～0.20 元/（t·km），考虑到运输情况的不确定性因素较多，本研究按照费用增加0.20 元/（t·km）、运距1 000 km进行费用计算。

3.1.3 施工费用

根据施工工序划分概算结构，管道施工费用大致可分为管段运输、管段组装焊接、管道清管试压、干燥及氮气置换、无损检测等部分，其中管道清管试压、干燥及氮气置换不受施工设备和施工能力限制，18 m 管与12 m 管单公里施工费用无差异，主要对管段运输、管段组装焊接、无损检测三个方面进行分析。

中转站后管段运输受施工设备和施工能力限制，装卸、吊装均需采用更大能力的吊装设备，运输设备也有差异，根据西气东输三线和四线天然气管道施工实际情况，相比12 m 管，18 m 管的场外运输费用额外增加约40%。

管段组装焊接包括坡口加工、预热、组装焊接、管段下沟、补口补伤等。以Φ1 219 mm×18.4 mm规格钢管为例，预热（按中频预热）、组装焊接（按照带内焊自动焊）、补口补伤（按机械化补口），各工序综合施工降效约17.5%。

无损检测按100%AUT+20%DR 抽检来测算，不受施工设备和施工能力限制。

根据以上分析，测算100 km管段的施工费用减少1 905万元，应用18 m加长管减少焊口能有效降低焊接和检测的成本，施工费用分析详见表2。

表2 施工费用分析表（100 km管段）

3.1.4 配套费用

18 m加长管在卸、堆管时，现有中转站无存储能力，需建临时堆管厂，根据西气东输三线和西气东输四线情况，100 km建设长度，相比12 m管，18 m 管需额外建设临时堆管厂约10 000 m²，增加临时占地费用约20万元。同时运输需局部整修施工便道，施工便道费用需根据项目具体情况考虑，本研究不对该方面进行对比分析。

3.1.5 建设期综合费用

在产能、运力充足情况下，不考虑加长管施工机具改造及道路增扩等相关费用，18 m加长管在钢管制造方面费用比12 m管约增加2.53%，运输方面费用增加66.67%，施工方面费用降低20.38%，百公里建设期综合费用增加0.53%，建设期综合费用对比结果见表3。18 m加长管总体费用与12 m钢管基本一致，在建设期成本可以有效控制。

表3 建设期费用综合对比表

3.2 管道运营期费用

根据2.1 章节所述，运营期一年的费用按建设期总费用的2.5%来计算，费用现值按运营期40年、折现率8%计算。由于18 m加长管建设期费用与12 m 管相差较小，因此运营期费用也趋于相同，运营期费用综合对比见表4。

表4 运营期费用综合对比表

3.3 管道潜在损失费用

3.3.1 管体失效潜在损失费

对于管体腐蚀、第三方破坏引起的管道失效概率，在中国石油天然气集团有限公司课题“天然气管道基于可靠性的设计和评价方法研究”开展期间，温凯等[13-15]对计算模型进行构建，形成了天然气管道可靠性计算方法。

采用PRISM 可靠性计算软件进行计算，模拟抽样次数为1 亿次，计算时间周期为30 年。在进行腐蚀失效概率计算时，默认全段均为强腐蚀区域，按照GB/T 27699—2011《钢质管道内检测技术规范》要求，新建管道应在投产3 年内进行管道内检测（也称基线检测），管道内检测周期设置为8 年。管体失效计算基本参数见表5，对应的损失类型和损失费用见表6，计算方法参照GB/T 29167—2012《石油天然气工业管道输送系统基于可靠性的极限状态方法》。表7 为X80 直缝埋弧焊钢管力学性能参数，该数据来自国内X80 钢应用工程统计。

表5 管体失效计算参数

表6 管体失效的损失类型及损失费用

表7 X80直缝埋弧焊管管体屈服强度和抗拉强度统计分析

由于18 m加长管与12 m管的管体力学性能指标相同，因此失效概率相同，管体失效方面仅对比不同失效类型之间的潜在损失费，对不同组别的钢管不进行对比分析。管体失效潜在损失费见表8，可以看出该典型工况下，管体小泄露失效潜在费用占比高达99.23%，其他失效形式造成的损失远低于小泄露失效。由于管道敷设地区为二级地区，其第三方破坏失效概率较低，即使按照强腐蚀工况进行失效概率计算，其可靠性依旧远低于最大允许失效概率（1.70×10-7次/（年·km）），管体发生泄露和破裂的风险极低，因此管体小泄露失效潜在费用占据主要部分。在上述典型工况下，管体总潜在损失费为8.98万元。

表8 管体失效潜在损失费用

3.3.2 环焊缝失效潜在损失费

环焊缝失效计算采用环焊缝可靠性计算分析系统，模拟抽样次数为1 亿次。含缺陷环焊缝极限状态方程中涉及的输入参数有材料性能、管道规格、应力载荷、缺陷尺寸等，其中材料性能与表5 数据保持一致。根据GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》附录B 计算应力载荷，其输入参数见表9，表10 中缺陷尺寸信息为西气东输三线等多个项目中收集汇总的现场数据。

表9 环焊缝失效计算参数输入值

表10 焊缝韧性及缺陷尺寸统计分析

经过分析模拟得知，典型工况下环焊缝失效概率为7.95×10-7，本研究以此为参考，并结合表6 的损失费用单价对环焊缝失效潜在损失费进行计算，计算结果见表11。通过表11 可以看出，环焊缝破裂失效费用占据主要因素。在计算死亡赔偿时，定义二级地区人口密度为0.031 人/km2，对比破裂失效费用，死亡赔偿费用为环焊缝失效赔偿的次要因素。

表11 百公里不同长度组别管段环焊缝失效潜在损失费用计算结果

3.3.3 管道失效综合潜在损失费

管体与环焊缝失效潜在损失费计算之和即为综合潜在损失费（见表12）。由表12 可以看出，百公里管道，在典型工况下，18 m 管道潜在失效费用较12 m 管道潜在损失费总计降低了126.56 万元，说明减少焊缝数量能有效降低管道环焊缝失效的潜在风险，并且可进一步降低全生命周期成本。

表12 管道潜在损失费计算结果

4 管道全生命周期费用测算结果对比

管道全生命周期费用包括建设期费用、运营期费用和潜在损失费用，汇总全文在全生命周期不同阶段的计算数据，本研究典型工况的全生命周期测算结果见表13。由表13 可知，典型工况下采用18 m 加长管管段潜在失效损失费用比采用12 m 管降低了32.55%，而全生命周期费用仅增加了250.44 万元（整体投资增加0.35%），即使额外考虑18 m 管新增施工便道和机具改造等费用，18 m 管的应用与12 m 管的全生命周期费用仍较为接近，说明两种组别钢管在建设、运营等多个阶段综合费用基本相同，18 m 管的大规模应用在投资方面和与采用常规12 m 管的经济费用基本持平。

表13 直缝钢管全生命周期费用计算结果

5 结 论

（1）管道环焊过程中不可避免地存在各种缺陷，是导致管体裂纹扩展和管体失效的原因。18 m 加长管能有效降低1/3 的环焊缝数量，因此对确保管道全生命周期安全运营具有重要意义。

（2）与12 m 钢管相比，18 m 加长管在钢管制造方面约增加2.53%费用，在施工方面降低了20.38%费用，百公里不同管长的建设期综合费用增加了0.53%，整体而言，18 m 加长管在建设期成本可以有效控制，总体费用与12 m 钢管基本一致。

（3）因管材各项性能指标相同，18 m 加长管和12 m 钢管管体失效概率一致，但在本研究典型工况下，管体小泄露失效潜在费用占比高达99.23%，其他失效形式造成的损失远低于小泄露失效，管体总潜在损失费用仅仅为8.98 万元。

（4）18 m 加长管和12 m 钢管环焊缝失效概率一致，典型工况下环焊缝失效概率为7.95×10-7，但加长管显著减低环焊缝数量，失效次数低于12 m 管，管道潜在损失总费用降低了126.56 万元。

（5） 管道全生命周期费用包括建设期费用、运营期费用和潜在损失费用，经计算分析，典型工况下18 m 加长管全生命周期费用比12 m 管仅增加费用250.44 万元（整体投资增加0.35%），表明18 m 加长管的大规模应用投资成本可以有效控制。