中亚地区新建管道壁厚计算方法探讨

孙增武 赵 炜 郭发龙 李 磊 李欣妍

（1. 中国石油管道局工程有限公司国际事业部，河北 廊坊 065000；2. 中油国际管道公司中乌天然气管道项目，北京 100007；3. 中国石油西南管道天水输油气分公司，甘肃 天水 741002；4. 中国石油天然气股份有限公司管道济南输油气分公司，山东 济南 250000）

0 引言

中亚是我国能源战略合作重点地区，已建设中亚天然气管道A、B、C线和中哈原油管道，正在建设中亚天然气管道D线[1]。中亚国家倾向于采用俄罗斯标准，由于中俄标准性质和技术水平存在差异，在中亚新建管道项目中应执行何种类型标准存在很大分歧，可能导致管道建设周期变长，或者管道建设成本增加[2]。应针对中国和俄罗斯管道设计标准进行对比分析。近年来，大口径、高钢级、高压力管道已成为发展趋势，管材费用约占管道建设投资的70%，耗钢量与壁厚直接相关[3]。本文研究了中俄管道设计标准在壁厚计算方法的重要差异，阐述了俄罗斯基于管道抗拉强度计算壁厚的设计理念。结合典型输气管道设计示例，按照中俄管道设计标准给出了壁厚计算值。研究成果可为我国在中亚新建管道设计提供参考。

1 中国管道设计标准

中国国家标准GB 50251-2015《输气管道工程设计规范》参考美国标准ASME B31.8-2016《气体输送和配送管道系统》，按照管材屈服极限计算壁厚，简洁方便，在欧美国家和我国广泛采用。GB 50251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；sσ 钢管的最小屈服强度，MPa；ϕ焊缝系数，钢管如符合国家标准GB/T 9711-2017《石油天然气工业 管道输送系统用钢管》中的PSL2级，焊缝系数取1.0；F强度设计系数，输气管道一级一类、一级二类、二级、三级、四级地区强度设计系数为0.8、0.72、0.6、0.5和0.4；t温度折减系数，当温度小于120℃时，取值1.0。

2 俄罗斯管道设计标准

考虑焊接管道三通的可靠性，以及管道安全距离的要求，中亚国家和俄罗斯在2007年以前没有设计压力在10MPa以上的天然气管道[4]。针对设计压力10MPa以下的天然气管道执行SNIP 2.05.06-1985（1998）《干线管道设计规范》，该标准是1985年为建设西伯利亚管道由前苏联建设部制定，用于指导大型管道设计施工，最新为1998年修订版本。该标准规定管道壁厚按照式（2）和式（3）计算：

式中δ管道壁厚，mm；n载荷（管道内压力）超载系数，取值1.1；P设计压力，MPa；D管道外径，mm；R1计算抗拉强度，MPa；m管道工作条件系数，管段等级为B、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ时，管道工作条件系数为0.6、0.75、0.75、0.9和0.9；kL材料安全系数，根据钢管特性取值1.34、1.4、1.47和1.55，直缝钢管取值1.34；kH钢管用途可靠性系数，与管径和设计压力有关，介于1.0～1.1之间，一般取值1；标准抗拉强度，MPa。

3 中俄壁厚计算方法差异分析

3.1 设计理念

我国管道设计标准针对管道沿线人口密度划分为四个地区等级，采用不同的强度设计系数，即根据管材屈服强度确定壁厚。由于地广人稀，俄罗斯管道设计标准未考虑管道沿线人口分布情况，基于可靠性理念，综合考虑压力载荷、管材特性、管段性质、环境和制管工艺施工等，根据管材抗拉强度确定壁厚。

3.2 理论基础

俄罗斯管道设计标准壁厚计算的理论基础是基于标准抗拉强度，中国管道设计标准壁厚计算的理论基础是基于钢管的最小屈服强度。根据材料力学性能可知，管材抗拉强度大于最小屈服强度[9]，以API Spec5L-2012《管线钢管规范》规定的PSL1等级X65钢管的标准抗拉强度为535MPa，最小屈服强度为450MPa；X70钢管的标准抗拉强度为570MPa，最小屈服强度为485MPa，这是俄罗斯管道设计标准壁厚计算方法偏保守的根本原因。

3.3 计算公式表达形式

俄罗斯管道设计标准针对壁厚计算考虑的因素更为全面，例如载荷超载系数、管道工作条件系数、材料安全系数、钢管用途可靠性系数等，设置这些参数的目的是考虑管道腐蚀的安全余量，以及针对管道运行中维修、维护等不稳定行为的修正[5]。我国管道设计标准仅考虑了强度设计系数、焊缝系数和温度折减系数等。

4 计算示例

中亚天然气管道特点是管道沿线多为荒漠戈壁，地广人稀；广泛采用大管径管道（1016～1420mm），但设计压力等级较低，最大设计压力仅为7.5MPa，不推荐采用10MPa以上设计压力；主要采用X70和X65钢级钢管，不推荐使用X80及以上钢级钢管[6]。

示例1，中国在哈萨克斯坦西部建设的某输气管道，地区等级为一级，管材采用X65钢级，管径1016mm，设计压力6.4MPa，载荷（管道内压力）可靠性系数1.1，标准抗拉强度531MPa，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，计算抗拉强度为 297.2MPa；钢管的最小屈服强度448MPa，焊缝系数1，温度折减系数1。采用中国和俄罗斯管道设计标准的壁厚计算值如表1所示。

示例2，位于土库曼斯坦的南约洛坦天然气管道长度110km，管径1420mm，地区等级为一级，管材采用X70钢级，设计压力7.5MPa，载荷超载系数1.1，标准抗拉强度570MPa，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1.1，计算抗拉强度为290MPa；钢管的最小屈服强度485MPa，焊缝系数1，温度折减系数1。采用中国和俄罗斯管道设计标准的壁厚计算值如表2所示。

表1 中国和俄罗斯管道设计标准的壁厚计算值 （示例1）

可以看出，俄罗斯管道设计标准的壁厚计算值较大，俄罗斯管道设计标准相对偏于保守；随着管道管径由1016mm提高到1420mm，设计压力由6.4MPa提高到7.5MPa，钢管等级由X65提高到X70，中俄管道设计标准的壁厚计算值差值由1.67mm增加至4.39mm。

5 结论

（1）我国管道设计标准考虑了强度设计系数、焊缝系数和温度折减系数；俄罗斯管道设计标准针对壁厚计算考虑的因素更为全面，例如载荷超载系数、管道工作条件系数、材料可靠性系数、钢管用途可靠性系数等；

（2）俄罗斯管道设计标准壁厚计算的理论基础是基于标准抗拉强度，中国管道设计标准壁厚计算的理论基础是基于钢管的最小屈服强度，这是俄罗斯管道设计标准壁厚计算方法偏保守的根本原因；

（3）在中亚国家进行长输管道设计，从减少管道投资成本角度，在执行所在国家标准基础上，可参考我国管道设计标准；

（4）随着管道管径由1016mm提高到1420mm，设计压力由6.4MPa提高到7.5MPa，钢管等级由X65提高到X70，中俄管道设计标准的壁厚计算值差值由1.67mm增加至4.39mm；

（5）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，必要时采用通用管道设计软件，对壁厚计算值进行校核。