李廣群 孫立剛 李佳

中國石油管道局工程有限公司設(shè)計(jì)分公司

近年來，隨著天然氣應(yīng)用的普及和推廣，天然氣管道在我國快速發(fā)展，長輸天然氣管道總里程已經(jīng)超過7×104km，輸氣首站和分輸站是天然氣管道建設(shè)中的重要組成部分，調(diào)壓系統(tǒng)是輸氣首站和分輸站的關(guān)鍵工藝設(shè)施，是確保輸氣干線和分輸支線安全、平穩(wěn)、連續(xù)運(yùn)行的重要保證。調(diào)壓系統(tǒng)在工藝所需的安全范圍之內(nèi)，能夠確保管道下游不超過允許的最大操作壓力，調(diào)壓系統(tǒng)的壓力參數(shù)設(shè)置方案直接影響輸氣干線和分輸支線管道的壓力等級選取和管徑設(shè)計(jì)的合理性，影響管道的投資和管道輸送能力的充分發(fā)揮。因此明確調(diào)壓系統(tǒng)的具體壓力參數(shù)設(shè)置方案是十分必要的。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

目前國內(nèi)長輸天然氣管道設(shè)計(jì)的主要規(guī)范依據(jù)為GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，根據(jù)GB 50251—2015中的8.4.3款的要求，當(dāng)壓力控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障危及下游供氣設(shè)施安全時，應(yīng)設(shè)置可靠的壓力安全裝置。

壓力安全裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列規(guī)定：

（1）當(dāng)上游最大操作壓力大于下游最大操作壓力時，氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置單個的（第一級）壓力安全設(shè)備。

（2）當(dāng)上游最大操作壓力大于下游最大操作壓力1.6 MPa以上，以及上游最大操作壓力大于下游管道和設(shè)備強(qiáng)度試驗(yàn)壓力時，單個（第一級）壓力安全設(shè)備還應(yīng)加上第2個安全設(shè)備。此時可選擇下列措施之一：①每一回路串聯(lián)安裝2臺安全截?cái)嘣O(shè)備，安全截?cái)嘣O(shè)備應(yīng)具備快速關(guān)閉能力并提供可靠截?cái)嗝芊猓虎诿恳换芈钒惭b1臺安全截?cái)嘣O(shè)備和1臺附加的壓力調(diào)節(jié)控制設(shè)備；③每一回路安裝1臺安全截?cái)嘣O(shè)備和1臺最大流量安全泄放設(shè)備。

根據(jù)目前國內(nèi)干線和支線輸氣管道的設(shè)計(jì)壓力等級劃分，一般干線壓力等級為12或10 MPa，支線壓力等級為6.3或4 MPa，長輸管道站場壓力安全裝置一般都采用“緊急切斷閥+2臺調(diào)壓閥”的設(shè)置方式，為了能夠控制分輸支線的最大分輸流量，2臺調(diào)壓閥多采用“1臺電動調(diào)壓閥+1臺自力式調(diào)壓閥”的設(shè)置方式。這種設(shè)置方式既能夠有效防止支線分輸超量使干線能正常輸送，也具有限流的功能，目前已成為國內(nèi)輸氣管道普遍采用的分輸站調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)置方式。

根據(jù)規(guī)范的要求，調(diào)壓裝置的設(shè)置方式基本明確，關(guān)于安全切斷閥和2臺調(diào)壓閥的具體壓力設(shè)置值規(guī)范沒有給出明確的要求。同樣是設(shè)計(jì)壓力為6.3 MPa的管道，不同工程由于上游分輸站的調(diào)壓系統(tǒng)壓力設(shè)定值不同，導(dǎo)致其最大工作壓力大小不一，設(shè)定值較小的管道，極大地限制了下游輸氣管道的輸送能力，是資源的巨大浪費(fèi)。表1匯總了目前國內(nèi)已建幾條設(shè)計(jì)壓力6.3 MPa的支線管道其上游分輸站調(diào)壓系統(tǒng)壓力設(shè)定值。

在石油和化工工程設(shè)計(jì)工作手冊第五冊《輸氣管道工程設(shè)計(jì)》[2]中給出了參考依據(jù)，即歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12816—2014《Gas infrastructure—Gas pressure regulating stations for transmission and distribution—Functional requirements》[3]，其中要求 “緊急切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓閥壓力監(jiān)測點(diǎn)均獨(dú)立設(shè)在工作調(diào)壓閥下游壓力檢測點(diǎn)的同一位置，緊急切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓閥、工作調(diào)壓閥的壓力設(shè)定值關(guān)系為：緊急切斷閥>監(jiān)控調(diào)壓閥>工作調(diào)壓閥”。在EN 12816—2014標(biāo)準(zhǔn)中，給出了不同最大操作壓力(M OP)條件下，工作調(diào)壓閥、監(jiān)控調(diào)壓閥、緊急切斷閥的壓力高限設(shè)定值（表2）。

表1 已建6.3 MPa管道上游分輸站調(diào)壓系統(tǒng)壓力設(shè)定值Tab.1 Pressure set value of pressure regulation system in pstream distribution station ofexisting 6.3 MPapressurepipeline MPa

表2 在EN 12816—2014標(biāo)準(zhǔn)中調(diào)壓閥和緊急切斷閥的壓力高限設(shè)定值Tab.2 Pressure upper limit set value of pressure regulating valve and emergency shutdown valve in Standard DN12816—2014 MPa

這樣依據(jù)EN 12816—2014的規(guī)定，可以很容易確定調(diào)壓系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)壓力參數(shù)設(shè)定值。如果我們也采用EN 12816—2014的設(shè)定值則需要給出充分的論證依據(jù)。

分輸站壓力控制系統(tǒng)首先應(yīng)該保證下游分輸支線管道的安全，其次要為下游管道提供適用的供氣壓力。EN 12816—2014是專門針對燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)調(diào)壓站設(shè)計(jì)的專用標(biāo)準(zhǔn)，和其配套使用的線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為 ISO 13623—2007[4]，根據(jù) EN 12816—2014的要求設(shè)計(jì)和設(shè)置的調(diào)壓系統(tǒng)能夠保證按照ISO13623—2007設(shè)計(jì)的管道的安全。國內(nèi)輸氣管道采用的設(shè)計(jì)規(guī)范是GB 50251—2015，GB 50251—2015在管道線路設(shè)計(jì)上的部分要求參考了美國API標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.8—2014的規(guī)定[5]，尤其是在線路地區(qū)等級劃分、管道設(shè)計(jì)系數(shù)的選取和鋼管壁厚計(jì)算公式等相關(guān)的部分，設(shè)計(jì)要求基本是相同的[6-7]。

因此采用類比推理的方法，對比ISO 13623—2007與GB 50251—2015兩類規(guī)范關(guān)于管道安全的“線路地區(qū)等級的劃分、管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)的選取、管道壁厚計(jì)算公式、管道強(qiáng)度試驗(yàn)壓力”等相關(guān)內(nèi)容的差異，推斷出依據(jù)GB 50251—2015設(shè)計(jì)的調(diào)壓站可以采用EN 12816—2014的調(diào)壓系統(tǒng)壓力參數(shù)設(shè)定值。

2 兩種標(biāo)準(zhǔn)類比推理分析

2.1 線路地區(qū)等級的劃分

ISO 13623—2007在標(biāo)準(zhǔn)的附錄B中對于輸送天然氣和液化天然氣類流體的陸上管道公共安全進(jìn)行了補(bǔ)充要求，其中包括對于地區(qū)等級的劃分，附錄B中對于管道沿線地區(qū)等級的劃分基準(zhǔn)明確了與人口密度和人員的集中度有關(guān)；以管道中心兩側(cè)各200 m，任意劃分長度為1.5 km的區(qū)段，并以每平方公里的人口數(shù)量為界限劃分了不同的地區(qū)類別，共劃分了5個地區(qū)類別。

GB 50251—2015在第4.2章中對于輸氣管道線路地區(qū)等級的劃分進(jìn)行了明確規(guī)定，以居民戶數(shù)和建筑物的數(shù)量作為管道沿線地區(qū)等級的劃分基準(zhǔn)，以管道中心兩側(cè)各200 m，任意劃分長度為2 km的區(qū)段，并以居民戶數(shù)數(shù)量以及建筑等級為界限劃分了不同的地區(qū)類別，共劃分了四級地區(qū)類別。兩種標(biāo)準(zhǔn)地區(qū)等級劃分以及對比見表3。

兩種標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于地區(qū)等級劃分的標(biāo)準(zhǔn)基本一致，只是在地區(qū)劃分的居民戶數(shù)和人數(shù)上有所區(qū)別。以二級（3類）地區(qū)為例，ISO 13623—2007的規(guī)定是50～250 人/km2，GB 50251—2015 的規(guī)定是 15～100戶/km2，兩個標(biāo)準(zhǔn)要求基本相當(dāng)，ISO 13623—2007比GB 50251—2015要求稍微嚴(yán)格一些。

2.2 管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)的選取

對于輸氣管道而言，輸氣線路地區(qū)等級確定后，管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)的確定是關(guān)系到不同地區(qū)等級安全類別的關(guān)鍵因素[8-10]，從表4兩種標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)對比可以看出，同級地區(qū)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)GB 50251—2015比ISO 13623—2007的數(shù)值要小，也就是說同地區(qū)等級，GB 50251—2015比ISO 13623—2007更安全。

表4 強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)對比Tab.4 Comparison of strength design coefficient

2.3 管道壁厚計(jì)算公式

2.3.1 ISO 13623—2007標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算公式

在ISO 13623—2007標(biāo)準(zhǔn)第6.4章節(jié)中明確了流體管道的環(huán)向應(yīng)力計(jì)算公式，該公式考慮了管道外部的靜水壓力，不考慮埋地管道土壓力的影響，該公式為

式中： σhp為管道環(huán)向應(yīng)力，MPa； pid為設(shè)計(jì)壓力，MPa； pOD為管道外部最小靜水壓力（不考慮埋地管道的土壓力），MPa； DO為管道外徑，mm；tmin為管道最小壁厚，mm。

管道環(huán)向應(yīng)力與鋼管材質(zhì)最小屈服強(qiáng)度的關(guān)系[11-13]為

表3 地區(qū)等級劃分對比Tab.3 Comparison of location classification

式中：Fh為地區(qū)等級強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)；σb為鋼管標(biāo)準(zhǔn)最小屈服強(qiáng)度，MPa。

整合公式（1）和公式（2）得出

如果忽略管道外部靜水壓力的影響，則公式（3）可以簡化為

在ISO 13623—2007標(biāo)準(zhǔn)中簡化環(huán)向應(yīng)力計(jì)算公式（4），可以推出直管段最小壁厚計(jì)算公式為

2.3.2 GB 50251—2015標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算公式

在GB 50251—2015標(biāo)準(zhǔn)中直接給出了輸氣管道直管段壁厚計(jì)算公式

式中： δ為鋼管設(shè)計(jì)壁厚，mm； p為設(shè)計(jì)壓力，MPa；D為鋼管外徑，mm； σs為鋼管的最小屈服強(qiáng)度，MPa；φ為鋼管焊縫系數(shù)，取1.0；F為強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)；t為溫度折減系數(shù)，當(dāng)溫度小于120℃，t值應(yīng)取1.0。

如果忽略溫度折減和焊縫系數(shù)的影響，GB 50251—2015標(biāo)準(zhǔn)中直管段壁厚計(jì)算公式簡化為

2.3.3 壁厚計(jì)算對比

管道鋼材采用X70（L485）材質(zhì)，以設(shè)計(jì)壓力10 MPa、管徑D=1 016 mm為例計(jì)算兩種標(biāo)準(zhǔn)下不同地區(qū)類別的實(shí)際直管段壁厚，計(jì)算結(jié)果見表5。從壁厚計(jì)算對比可以看出，在相同設(shè)計(jì)壓力、同管徑、同材質(zhì)的情況下，由GB 50251—2015標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的壁厚要比由ISO 13623—2007標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的直管段壁厚數(shù)值更大，也就是說GB 50251—2015更趨于安全。

表5 設(shè)計(jì)壓力為10 MPa、管徑為1 016 mm在不同地區(qū)等級時兩種標(biāo)準(zhǔn)的管道壁厚計(jì)算對比Tab.5 Calculation and comparison of wall thickness of two kinds of standard in different location classification when design pressure is 10 MPa and pipe diameter is 1 016 mm mm

2.4 管道強(qiáng)度試驗(yàn)壓力

管道強(qiáng)度試驗(yàn)壓力是驗(yàn)證和衡量管道強(qiáng)度性能的重要指標(biāo)，表6列出了ISO 13623—2007與GB 50251—2015兩種標(biāo)準(zhǔn)中的管道強(qiáng)度試驗(yàn)壓力的取值，在ISO 13623—2007中最大操作壓力表示為MOP，在GB 50251—2015中設(shè)計(jì)壓力表示為DP。從表6的對比中可以看出，由于MOP≤DP，因此在一級和二級地區(qū)GB 50251—2015與ISO 13623—2007的強(qiáng)度試驗(yàn)壓力基本一致，在三級和四級地區(qū)GB 50251—2015要比 ISO 13623—2007的4類和5類強(qiáng)度試驗(yàn)壓力高，也就是說GB 50251—2015更趨于安全。

表6 兩種標(biāo)準(zhǔn)管道強(qiáng)度試驗(yàn)壓力對比Tab.6 Comparison of strength test pressure of two kinds of standard MPa

2.5 對比分析

通過對GB 50251—2015和ISO 13623—2007兩個標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)等級的劃分、管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)的選取、管道壁厚計(jì)算公式、管道強(qiáng)度試驗(yàn)壓力等4個方面的分析可知，GB 50251—2015與ISO 13623—2007在地區(qū)等級劃分上基本一致，在強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)選取、管道壁厚計(jì)算和強(qiáng)度試驗(yàn)壓力方面GB 50251—2015比ISO 13623—2007要求更嚴(yán)、更安全。因此可以類推出能適用于ISO 13623—2007線路設(shè)計(jì)的站場調(diào)壓系統(tǒng)壓力參數(shù)設(shè)置模式，應(yīng)用于GB 50251—2015設(shè)計(jì)的管道是完全可行的?？紤]到長輸天然氣管道設(shè)計(jì)壓力一般不會低于4 MPa，因此不再探討低于4 MPa的管道調(diào)壓系統(tǒng)壓力參數(shù)設(shè)定值，參考表2中的設(shè)定值可以得出工作調(diào)壓閥、監(jiān)控調(diào)壓閥、緊急切斷閥的設(shè)定值高限：工作調(diào)壓閥設(shè)定值 ≤1.025MOP、監(jiān)控調(diào)壓閥設(shè)定值≤1.1MOP、緊急切斷閥設(shè)定值 ≤1.15MOP。

在EN 12816—2014標(biāo)準(zhǔn)中還明確“當(dāng)MOP小于設(shè)計(jì)壓力DP時，可以以設(shè)計(jì)壓力DP替代MOP為基準(zhǔn)確定壓力設(shè)定值”，鑒于國內(nèi)習(xí)慣使用設(shè)計(jì)壓力因素，因此工作調(diào)壓閥、監(jiān)控調(diào)壓閥和緊急切斷閥的設(shè)定值高限可以轉(zhuǎn)換為：工作調(diào)壓閥設(shè)定值≤1.025DP、監(jiān)控調(diào)壓閥設(shè)定值 ≤1.1DP、緊急切斷閥設(shè)定值 ≤1.15DP。由此可以計(jì)算出各常用設(shè)計(jì)壓力等級時，調(diào)壓閥、緊急切斷閥的設(shè)定值高限（表7）。

表7 采用常用設(shè)計(jì)壓力時調(diào)壓閥、緊急切斷閥的設(shè)定值Tab.7 Set value of pressure regulating valve and emergency shutdown valve in commonly used design pressure MPa

出于安全的考慮，由于國內(nèi)還沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，依據(jù)ASME B31.8—2014的要求“當(dāng)管道內(nèi)壓引起的管道環(huán)向應(yīng)力低于管道鋼材最小屈服強(qiáng)度的72%時，管道的最大允許工作壓力可以提高10%”，這樣可以將監(jiān)控調(diào)壓閥和緊急切斷閥設(shè)定值下調(diào)，調(diào)整為1.05倍和1.1倍的DP，將工作調(diào)壓閥的設(shè)定值調(diào)整為1.0DP。優(yōu)化后工作調(diào)壓閥、監(jiān)控調(diào)壓閥、緊急切斷閥的設(shè)定值為：工作調(diào)壓閥設(shè)定值≤DP，監(jiān)控調(diào)壓閥設(shè)定值 ≤1.05DP，緊急切斷閥設(shè)定值 ≤1.1DP。經(jīng)優(yōu)化后常用設(shè)計(jì)壓力等級條件下調(diào)壓閥、緊急切斷閥的設(shè)定值高限見表8。鑒于目前油氣管道通常應(yīng)用的壓力變送器均采用0.075級，測量偏差為±0.075%，誤差很小，因此由于測量引起的壓力正偏差可以忽略不計(jì)。

表8 優(yōu)化后調(diào)壓閥、緊急切斷閥的設(shè)定值Tab.8 Set value of pressure regulating valve and emergency shutdown valve after optimization MPa

另外，在ASME B31.8—2014中還給出了管道安全邊際的要求，即“管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力不能超過鋼材最小屈服強(qiáng)度的75%”，由于GB 50251—2015對管道線路設(shè)計(jì)的要求大部分參考了美國API標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.8—2014的內(nèi)容，因此可以引用此條款作為GB 50251—2015核定調(diào)壓站壓力設(shè)定的安全邊際，主要是核算管道線路一級地區(qū)，在管道內(nèi)壓作用下（最大1.1MOP）管道任何位置的環(huán)向應(yīng)力均不應(yīng)超過鋼材最小屈服強(qiáng)度的75%，如果超過了就要考慮提高該段管道的設(shè)計(jì)系數(shù)（換管）或降低該段管道的最大操作壓力，使之滿足不超過鋼材最小屈服強(qiáng)度75%的要求。

3 結(jié)論

（1）依據(jù)GB 50251—2015設(shè)計(jì)的長輸天然氣管道，其上游首站或分輸站的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力參數(shù)設(shè)定值可以按照：工作調(diào)壓閥設(shè)定值≤分輸站下游管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力DP、監(jiān)控調(diào)壓閥設(shè)定值≤1.05DP、緊急切斷閥設(shè)定值 ≤1.1DP的原則進(jìn)行壓力參數(shù)設(shè)置，但需保證緊急切斷閥設(shè)定值>監(jiān)控調(diào)壓閥設(shè)定值>工作調(diào)壓閥設(shè)定值。

（2）應(yīng)確保在管道內(nèi)壓作用下（最大1.1 MOP）管道沿線任何位置的管道環(huán)向應(yīng)力不應(yīng)超過管道鋼材最小屈服強(qiáng)度的75%。

（3）按上述原則設(shè)置的首站或分輸站的調(diào)壓系統(tǒng)既能充分發(fā)揮和利用下游管道的設(shè)計(jì)壓力潛能，提供最大的供氣壓力，從而選取合適的管徑，降低工程投資，同時又可確保管道安全、平穩(wěn)、可靠地運(yùn)行。

（4）分輸站壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力設(shè)置也適用于管道壓氣站的出站壓力的設(shè)置，設(shè)計(jì)壓力為10 MPa的多壓氣站輸氣管道，完全可以在10 MPa最大工作壓力下平穩(wěn)運(yùn)行。上述分析的管道為新建管道工程，對于運(yùn)行一定周期的管道，應(yīng)進(jìn)行管道內(nèi)腐蝕檢測和評價(jià)，先確定最大工作壓力后再確定相應(yīng)的設(shè)定參數(shù)。