ASME B31.12标准在国内氢气长输管道工程上的应用

张小强，蒋庆梅

（中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊　065000）

标准规范

ASME B31.12标准在国内氢气长输管道工程上的应用

张小强，蒋庆梅

（中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000）

氢气长输管道设计技术在国外已经十分成熟，技术标准也相对完善，但在国内却是空白。介绍了国外氢气管道标准ASME B31.12在国内某氢气长输管道工程的应用情况，从管道选材、管道设计计算、无损检测和压力试验等方面介绍了ASME B31.12标准的技术要求以及具体应用情况，为今后国内氢气长输管道的建设可提供一定的借鉴。

氢气长输管道；ASME B31.12；管道设计

0　引言

使用管道对氢气进行长距离输送已有60余年的历史［1］，在发达国家已经具有一定的规模。1938年，德国鲁尔建成最早的氢气长输管道，其总长达208 km。欧洲大约有1500 km的低压氢气管道，美国现有的氢气管道超过1400 km。世界最长的氢气管道位于法国和比利时之间，长约400 km。2014年，中国建成的最长氢气长输管道——巴陵石化氢气长输管道，全长 42 km。2015年，我国又一条氢气长输管道急需设计施工，其主要功能是为石化行业加氢反应器提供氢气原料，为进一步扩大石化企业的产能提供基础保障。

在国外，氢气长输管道技术已经十分成熟，对应的设计标准规范的研究也比较全面，例如美国的ASME B31.12—2014《Hydrogen Piping and Pipe-lines》［2］（以下简称ASME B31.12）、欧洲的《Hydrogen Transportation Pipelines》［3］（同时也发表成CGAG-5.6—2005《HydrogenPipeline Systems》［4］）等标准。但是在国内，还没有关于氢气长输管道的设计标准规范，GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》［5］和GB 50177—2005《氢气站设计规范》［6］也只能参照执行，并不完全适用。因此，本次氢气长输管道设计施工主要按照ASME B31.12—2014《Hydrogen Piping and Pipelines》执行，本文主要针对ASME B31.12在国内某氢气长输管道工程中的执行情况进行详细的论述。

1　ASME B31.12简介

1.1适用范围

ASME B31.12适用于氢气管道及配送系统，主要包括设计、施工、维护等多方面，可用于氢气工业管道和长输管道。

1.2主要内容

ASME B31.12由四部分组成，分别是通用要求、工业管道、长输管道和附录。

（1）通用要求。

本部分主要介绍标准的基本要求、定义和术语，主要内容包括管道材料、焊接与热处理、检测与检验、操作与维护。

管道材料主要包括碳钢、低合金钢、中合金钢、不锈钢、镍基合金、铝合金和钛合金等。对于氢气长输管道，管道材料基本全部选择碳钢，管道材料性能及制造标准为APISpec 5L［7］。焊接与热处理部分主要对焊接与热处理的方法、步骤及检验合格标准进行了详细介绍；检测与检验部分主要介绍了检测与检验方法、要求；最后一部分提出了操作与维护的各种注意事项，包括常规操作、维护、泄漏检查、维修等。

（2）工业管道。

工业管道部分主要针对的是氢气的工业应用领域，包括炼化、加油站、化工、发电等。工业管道与长输管道分属不同的管道系统，与本工程应用无关，本文不再详细说明。

（3）长输管道。

长输管道部分主要针对管材选择、管道设计、管道敷设与测试等方面提出了要求，重点介绍了管材性能指标要求、管道线路地区等级划分标准、管材壁厚计算及设计系数选取、管件设计与计算、阀室设置、管道敷设检验、管道焊接与检验、管道清管试压干燥等。

（4）附录。

附录是对标准的前三部分的补充说明。附录的内容包括强制性目录9个、非强制性目录6个。主要包括地上氢气管道设备设计、ASME引用标准、管道需用应力和质量因数等。

2　ASME B31.12标准的应用

2015年3月，我国口径最大的氢气长输管道开建，全面进入施工建设期，本文主要从以下几个方面介绍ASME B31.12标准在该氢气长输管道工程中的应用情况。

2.1管材选择

ASME B31.12中将可用于氢气长输管道的材料分为两大类，分别是ASTM系列和API系列，详见表1。同时，ASME B31.12中明确要求应用表1中所有材料的管道最大输送压力不能大于3000 psi（20.685MPa），除非材料在氢气环境中的性能指标满足ASME BPV Code SectionⅧDivision 3［8］Article KD-10中的要求。另外，对于ASTM A381 Class Y-65和API 5L X65/X70/X80等材料，管道的最大输送压力不能大于1500 psi（10.34MPa）。

表1　氢气长输管道材料分类汇总

同时，在ASME B31.12的附录A中指出氢脆现象对材料的强度十分敏感，强度越高、氢脆越严重，所以在选择材料时，不仅要对材料的屈服强度最低值提出要求，还要对材料的屈服强度上限值加以要求。附录A中还结合欧美地区已建氢气长输管道20多年的安全运营情况，推荐选用ASTM A 106 Grade B，ASTM A53 Grade B，API 5L X42和API 5L X52等钢级。

结合ASME B31.12中规定的材料等级以及氢脆的特点，最大限度地降低管道材料对氢的敏感性，在此次氢气长输管道工程中选取钢级较低的API 5L B级（PSL2）钢管。

2.2设计计算

ASME B31.12中管道壁厚计算公式如下:

式中P——设计压力，MPa

S——材料屈服强度，MPa，按 ASME B31.12中表IX-1B选取

t——管道壁厚，mm

D——管道外径，mm

F——设计系数，按 ASME B31.12中表PL-3.7.1-1和表 PL-3.7.1-2中选取

E——焊缝系数，对于新建管道取1.0

T——温度折减系数，按ASME B31.12中表PL-3.7.1-3选取

Hf——材料性能系数，按ASME B31.12中表IX-5A选取

2.2.1设计系数

在ASME B31.12中，给出了A/B两组设计系数供选择，具体见表2。

表2　设计系数F

A组是规范化的设计系数，管道需按照API 5L附录G中的要求进行韧性试验，要求夏比冲击试验剪切面积3个试样平均值不能低于80%（全尺寸试样）或者85%（非全尺寸试样），或者落锤试验剪切面积不小于40%，且要求夏比冲击功满足下式的要求:

式中CVN——全尺寸夏比冲击功，ft-lb

R——管道半径，in

T——管道壁厚，in

σh——设计压力条件下的管道环向应力，ksi

此组设计系数对管道韧性的要求较API 5L标准偏低，按照API 5L标准生产的管道基本符合要求。

B组是基于管道性能的设计系数，首先，要求管道满足API 5L PSL2的相关要求；其次，要求置于氢气环境中的管道满足ASME BPV Code SectionⅧDivision 3 Article KD-10中的相关要求；最后，还需要将置于氢气环境中按照KD-1040测得的管道材料的KIH值（材料应力强度门槛因子）大于经过计算的KIA值（材料应力强度应用因子）。此组设计系数是基于管道的实际性能开展的，在数值上与ASME B31.8［9］基本一致，只是未采用ASME B31.8中一级地区一类区域的设计系数（设计系数值为0.8）。

相较于天然气，氢气对管道会产生氢损伤［10-12］。因此当选取 B组设计系数时，必须将材料置于氢气环境中进行性能测试，当满足相关要求时，才可以按照天然气管道的设计系数进行设计计算。而A组设计系数未进行相关的性能测试，所以以提高设计系数来保证管道的安全。B组设计系数相对A组设计系数更加精确与节省管材，但是对材料的性能要求较高，不易完全满足要求。反之，A组设计系数相对保守一些，但是操作起来更加简捷、方便。

2.2.2材料性能系数

与ASME B31.8相比较，材料性能系数Hf是ASME B31.12引入的一个新参数，它与设计压力和管道的屈服强度有关，具体见表3。

表3　材料性能系数Hf

材料性能系数也是为了防止氢气对管道产生氢损伤而适当增加壁厚裕量设置的，设计压力越高、钢级越高，氢损伤越严重，系数选取的越小，管道壁厚越大，进而保证管道的安全。值得注意的是，当选用B组设计系数时，材料性能系数可取1.0。

2.2.3设计压力

在ASME B31.12中，明确规定设计压力不能高于管道在工厂时试验压力的85%，并且要求当工厂试验压力产生的管道环向应力低于管道屈服强度的85%时，管道需进行工厂复验或者管道安装后复验。如果复验压力大于原试验压力，则设计压力应不小于复验压力的85%。

对设计压力的规定是ASME B31.12中特有的，在GB 50251—2015［5］中没有此项要求，其目的是进一步提高管道的安全。

2.2.4小结

结合国内管道生产质量现状以及管道的安全性，在此次氢气长输管道工程中选取相对保守的A组设计系数，材料性能系数根据氢气长输管道工程的具体设计压力和钢级确定。

2.3无损检测

ASME B31.12规定，当管道在环向应力不小于管道最低屈服强度20%的环境下运行时，需对焊接接头进行无损检测。检测方法包括射线检测、超声波检测、磁粉检测或者其他合适的检测方法。进行无损检测焊接接头的最低数量应为1类地区的10%、2类地区的15%、3类地区的40%、4类地区的75%。对于穿越主要公路、铁路以及河流的管道，如果可行，则需进行焊接接头的100%检测，但在任何情况下不允许少于焊缝的90%。所有未经过试压的焊接接头均应进行100%检测。

ASME B31.8中关于无损检测的要求与ASME B31.12基本一致。GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》规定，对所有焊接接头进行100%无损检测，首选射线和超声波，焊缝表面可用磁粉或液体渗透检测。对焊接接头进行100%超声波检测后，应按一定比例进行射线复测，复测比例为1类地区的5%、2类地区的10%、3类地区的15%、4类地区的20%。对于主要公路、铁路、河流的管道焊接接头，弯头与直管段焊接接头以及未经试压的管道焊接接头，均应进行100%射线检测。

对比以上的检测要求可以看出，GB 50251—2015比ASME B31.12要严格得多。结合本次氢气长输管道工程施工现场的检测条件和水平，选用要求更加严格的GB 50251—2015作为无损检测的执行标准。

2.4压力试验

ASME B31.12规定，管道需至少以最高允许操作压力150%的试验压力进行压力试验，持续时间至少为2 h，试验介质建议用水。对于高等级道路、铁路等穿越区段，需单独试压，试压要求与线路段相同。处于3，4类地区的管道，可以采用气体进行试压，但是需要满足如下条件:试压时最大环向应力在3类地区时不大于屈服强度的50%、4类地区40%；同时要求管道的最大操作压力不大于现场最大试验压力的80%，管道必须是新管道，且焊缝系数为1.0。

ASME B31.12中也规定管道需进行泄漏试验，检查出所有泄漏点，试验压力、试验时间未明确。如果管道以气体作为介质进行强度试验，并且环向应力超过屈服强度的20%时，管道在进行泄漏试验时需将压力由100 psi升至使管道环向应力为屈服强度的20%的压力值，并且升压时间至少为10 min，或者将压力升至使管道环向应力为屈服强度的20%的压力值，应用泄漏探测器对管道全线进行泄漏检测。

ASME B31.12中的强度压力试验压力值未按地区等级区分，全部是1.5倍最大操作压力，此项要求比ASME B31.8和GB 50251—2015要严格。所以本次氢气管道工程的强度压力试验压力值按此规定执行，但是持续时间采取GB 50251—2015中的4 h。ASME B31.12中对泄漏性试压未做明确要求，不易操作，在本次氢气管道工程中采用GB 50251—2015中的试压方法进行，即在管道最大允许操作压力条件下稳压24 h，以不泄漏为合格。

3　结语

（1）ASME B31.12是国际上第一部关于氢气管道的标准，适用范围比较广泛，涵盖输送氢气的工业管道和长输管道。

（2）在管道材料选择方面，ASME B 31.12作出了严格的规定，并且结合工程实际给出了推荐管道材料。

（3）在管道设计计算方面，ASME B 31.12全面考虑了氢气对管道的损伤影响，分别从材料性能系数、设计系数等方面加以限制，以保证管道的安全。

（4）在管道检测和试压方面，ASME B31.12与ASME B31.8基本一致，相对GB 50251—2015比较宽松，国内的氢气长输管道工程建议参照GB 50251—2015执行。

［1］沈显超.中美氢气标准对比分析［J］.化工生产与技术，2014，21（4）:52-54.

［2］ASME B31.12—2014，Hydrogen Piping and Pipelines［S］.

［3］Hydrogen Transportation Pipelines［S］.European Industrial Gases Association，2004.

［4］CGA G-5.6—2005，Hydrogen Pipeline Systems［S］.

［5］GB 50251—2015，输气管道工程设计规范［S］.

［6］GB 50177—2005，氢气站设计规范［S］.

［7］APISPECIFICATION 5L，FORTY-FIFTH EDITION， 2013，Specification for Line Pipe［S］.

［8］ASME Boiler&Pressure Vessel Code，Ⅷ Division 3，Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels，Rules for Construction of Pressure Vessels［S］.2010.

［9］ASME B31.8—2014，Gas Transmission and Distribution Piping Systems［S］.

［10］蒋庆梅，张小强.氢气与天然气长输管道线路设计ASME标准对比分析［J］.压力容器，2015，32（8）:44-49.

［11］何仁洋，栾湘东，张庆春，等.压力管道安全完整性技术法规与标准体系研究［J］.压力容器，2012，29（7）:44-50.

［12］王金富.制氢装置管道材料的选用［J］.石油化工腐蚀与防护，2004，21（3）:19-22.

Application of ASME B31.12 in a Domestic Long Distance Hydrogen Pipeline Project

ZHANG Xiao-qiang，JIANG Qing-mei
（China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China）

The design technique of long distance hydrogen pipeline project is verymature abroad，and the technical standards is comprehensive，but it is a blank in China.The application of ASME B31.12 in a domestic hydrogen pipeline project from the pipematerial，pipe design calculation，nondestructive testing and pressure testingwas described.These requirements and applications can provide a reference for future long distance hydrogen pipeline construction in China.

long distance hydrogen pipeline；ASME B31.12；pipeline design

TH122；T-65；TQ055.8

B

1001-4837（2015）11-0047-05

10.3969/j.issn.1001-4837.2015.11.008

2015-08-11

张小强（1985-），男，工程师，主要从事油气长输管道设计及焊接工艺研究工作，通信地址:065000河北省廊坊市和平路146号中国石油天然气管道工程有限公司管道设计院线路室，E-mail:xqzhangcppe@cnpc.com. cn，414981210@qq.com。