張有渝 李平利 袁 勇 陳曉南 林 鑫

1. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;. 陜西省天然氣股份有限公司, 陜西 西安 710016;3. 四川石達(dá)能源發(fā)展有限公司, 四川 成都 610041

0 前言

輸氣管道(包括天然氣長(zhǎng)輸管道和集輸管道,下同)和工業(yè)管道是同屬特種設(shè)備壓力管道中兩類不同的壓力管道,這兩類壓力管道在功能、屬性、使用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、材料選用、設(shè)計(jì)計(jì)算以及管道所處環(huán)境、施工檢驗(yàn)檢測(cè)等方面都有很大區(qū)別,但是這些技術(shù)上的區(qū)別往往被忽視,又由于工業(yè)管道設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝流程的復(fù)雜、苛刻,輸送的介質(zhì)品種多樣,生產(chǎn)環(huán)境變化復(fù)雜,且有的工業(yè)管道還具有高溫高壓的特點(diǎn),因此認(rèn)為工業(yè)管道比輸氣管道復(fù)雜。由于這兩方面的因素交集,因而有可能將輸氣管道或其某一部分(如站場(chǎng))和工業(yè)管道在壓力管道類別劃分上混淆不清,導(dǎo)致輸氣管道或其中的站場(chǎng)從設(shè)計(jì)開始到施工、檢驗(yàn)檢測(cè)、驗(yàn)收、投產(chǎn)運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生混亂以致錯(cuò)誤,本文即為此對(duì)輸氣管道與工業(yè)管道在技術(shù)方面的區(qū)別進(jìn)行分析比較,并提出相應(yīng)對(duì)策。

1 定義及分析

1.1 定義

壓力管道:“利用一定的壓力,用于輸送氣體或者液體的管狀設(shè)備,其范圍規(guī)定為最高工作壓力大于或等于0.1 MPa(表壓)的氣體、液化氣體、蒸汽介質(zhì)或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度大于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體介質(zhì),且公稱直徑大于25 mm的管道[1]?！?/p>

長(zhǎng)輸管道:“產(chǎn)地、儲(chǔ)存庫(kù)、用戶間的用于輸送(油氣)商品介質(zhì)的管道[2]?！?/p>

天然氣長(zhǎng)輸管道:“產(chǎn)地、儲(chǔ)存庫(kù)、使用單位之間用于輸送經(jīng)過處理的商品天然氣(常規(guī)天然氣、煤層氣、頁(yè)巖氣,致密砂巖氣及煤制合成天然氣)的長(zhǎng)距離管道[3]?！?/p>

輸氣管道工程:“用管道輸送天然氣、煤層氣和煤制天然氣的工程;一般包括輸氣管道、輸氣站、管道穿(跨)越及輔助生產(chǎn)設(shè)施等工程內(nèi)容[4]?！?/p>

輸氣站:“輸氣管道工程中各類工藝站場(chǎng)的總稱;一般包括輸氣首站、輸氣末站、壓氣站、氣體接收站、氣體分輸站、清管站等[4]?！?/p>

集氣管道:“氣田內(nèi)部自一級(jí)氣液分離器至天然氣處理廠/凈化廠之間的天然氣輸送管道[5]?！?/p>

工藝:“生產(chǎn)某種物質(zhì)產(chǎn)品所必須的方法、技藝?！?/p>

裝置內(nèi)單元:“按生產(chǎn)完成一個(gè)工藝操作過程的設(shè)備、管道及儀表等的組合體[6]?！?/p>

裝置:“一個(gè)或一個(gè)以上相關(guān)聯(lián)的工藝單元的組合[6]?！?/p>

工業(yè)管道:“企業(yè)、事業(yè)單位所屬的用于輸送工藝介質(zhì)的工藝管道、公用工程管道及其他輔助管道,劃分為GC 1級(jí)、GC 2級(jí)、GC 3級(jí)[7]?！?/p>

1.2 分析

分析輸氣管道和工業(yè)管道相關(guān)的定義,可以得出:

1)無(wú)論是輸氣管道還是工業(yè)管道,都是其所屬的輸氣管道工程或裝置的一個(gè)組成部分,輸氣管道必須與輸氣站及其它設(shè)施一起構(gòu)成一個(gè)完整、獨(dú)立的工程,同樣工業(yè)管道必須與相關(guān)的設(shè)備及其它設(shè)施一起構(gòu)成一個(gè)完整、獨(dú)立的生產(chǎn)單位(即裝置或工廠)。

2)雖然輸氣管道與工業(yè)管道同屬于壓力管道,但兩者的功能是完全不同的。輸氣管道是用于輸送商品介質(zhì)天然氣的,將其從一地輸送至另一地,而工業(yè)管道是用于通過某種工藝生產(chǎn)某種物質(zhì)產(chǎn)品的。

3)輸氣管道工程與工藝裝置所處的環(huán)境條件完全不同,輸氣管道工程是處于一個(gè)長(zhǎng)條形或線形的長(zhǎng)距離(數(shù)千米至數(shù)千千米的長(zhǎng)度)自然環(huán)境中,而工藝裝置是由一個(gè)或數(shù)個(gè)工藝單元組成,處于一個(gè)有限空間的工廠范圍之中。

2 輸氣管道與工業(yè)管道的功能區(qū)別

輸氣管道與工業(yè)管道同屬于壓力管道,兩者的共同性在于都是通過內(nèi)壓輸送流體介質(zhì),但兩者輸送的介質(zhì)性質(zhì)不同。在輸氣管道內(nèi)介質(zhì)的組份不變,僅有溫度和壓力的變化,因此介質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)無(wú)變化,僅是改變了介質(zhì)所在的位置,這就是輸氣管道的功能。不僅輸氣管道如此,輸油管道和城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿酪彩侨绱恕?/p>

工業(yè)管道從屬于工藝裝置,工藝裝置的功能就是生產(chǎn)物質(zhì)產(chǎn)品,這個(gè)功能決定了工業(yè)管道中輸送的介質(zhì)組份是變化的,介質(zhì)組份的變化可以分成兩類:

1)有化學(xué)變化的,即從裝置進(jìn)口到出口,介質(zhì)由一種或多種物質(zhì)經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)變化成了另外一種或多種物質(zhì),其組份性質(zhì)發(fā)生了根本變化。

2)有物理變化的,即由原來混合的各種組份物質(zhì)分離成了單種成份的物質(zhì),但組份和性質(zhì)也發(fā)生了變化。

介質(zhì)的這種化學(xué)變化或物理變化,必須是在裝置內(nèi)完成,裝置包括了設(shè)備、相應(yīng)的壓力管道和儀表、閥門等相關(guān)設(shè)施,因此工業(yè)管道在其中起到了不可或缺的作用。

3 輸氣管道與工業(yè)管道的屬性區(qū)別

壓力管道的功能決定了它在相應(yīng)完整、獨(dú)立的項(xiàng)目中各自的屬性。由于輸氣管道工程中的輸氣管道和工藝裝置中的工業(yè)管道功能不同,因此具有各自不同的屬性,這種屬性的區(qū)別決定了輸氣管道和工業(yè)管道在設(shè)計(jì)參數(shù)、材料選用,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范使用以及設(shè)計(jì)計(jì)算公式、受力分析等方面的區(qū)別。

輸氣管道(包括輸氣站的工藝管道)的功能是輸送商品介質(zhì)天然氣,將天然氣由某地起點(diǎn)輸送到另一地終點(diǎn),輸送過程中僅有介質(zhì)壓力和溫度的變化,輸氣這個(gè)功能在管道中就能夠完成,因此輸氣管道在輸氣管道工程中起著主體作用,這就是輸氣管道的屬性。

工業(yè)管道的功能是輸送組份變化的介質(zhì),介質(zhì)的組份變化無(wú)論是化學(xué)變化還是物理變化都不可能在工業(yè)管道中發(fā)生和完成,必須是在與工業(yè)管道同屬于一個(gè)裝置的設(shè)備(包括塔器、反應(yīng)器、加熱爐、熱交換器等工藝設(shè)備)中發(fā)生和完成。在設(shè)備中為了完成這些變化所必須具有的壓力、溫度等條件就決定了設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度,再考慮到介質(zhì)的腐蝕性,也就決定了材料的選用,與這些設(shè)備相連接的用于輸送這些介質(zhì)的工業(yè)管道的設(shè)計(jì)參數(shù)及材料等也就隨之被決定了。因此裝置中的工業(yè)管道在裝置中起到的是從屬作用,這就是工業(yè)管道的屬性。

輸氣管道和工業(yè)管道的不同屬性決定了這兩類管道在設(shè)計(jì)、材料、制造、施工、檢測(cè)與驗(yàn)收及生產(chǎn)運(yùn)行等技術(shù)上的區(qū)別。

4 輸氣管道與工業(yè)管道技術(shù)上的區(qū)別

輸氣管道與工業(yè)管道在功能和屬性上的區(qū)別導(dǎo)致兩者在技術(shù)上也有著很多差異。

4.1 管道壁厚計(jì)算公式

GB 50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“GB 50251-2015”)和GB 50316-2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》(2008年版)(以下簡(jiǎn)稱“GB 50316-2000(2008年版)”)是輸氣管道和工業(yè)管道設(shè)計(jì)遵循的主要規(guī)范,從表1所列直管計(jì)算壁厚公式可看出三點(diǎn)不同。

表1 直管壁厚計(jì)算公式比較表

Tab.1 Comparision of formulas for wall thickness of straight pipe

標(biāo)準(zhǔn)號(hào)及條款適用壓力管道公式GB 50251-2015第5.1.2條輸氣管道內(nèi)壓δ=pD2σsφFt式中:δ為鋼管計(jì)算壁厚,mm;p為設(shè)計(jì)壓力,MPa;D為鋼管外徑,mm;σs為鋼管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度,MPa;φ為焊縫系數(shù);F為強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù),應(yīng)按本規(guī)范表4.2.3和表4.2.4選取;t為溫度折減系數(shù),當(dāng)溫度小于120 ℃時(shí),t值應(yīng)取1.0;δ0為鋼管實(shí)際壁厚,mm。對(duì)壁厚要求:最小管壁厚度不應(yīng)小于4.5mm,鋼管外徑與壁厚之比D/δ0,不應(yīng)大于100。GB 50349-2015《氣田集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.1.3條直管壁厚計(jì)算公式與上式相同。GB 50316-2000(2008年版)第6.2.1條工業(yè)管道內(nèi)壓ts=pD02([σ]tEj+pY)tsd=ts+CC=C1+C2公式適用條件:ts/D0<1/6式中:ts為直管計(jì)算壁厚,mm;p為設(shè)計(jì)壓力,MPa;D0為鋼管外徑,mm;Di為鋼管內(nèi)徑,mm;[σ]t為在設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力,MPa;Ej為焊接接頭系數(shù);tsd為直管設(shè)計(jì)厚度;C為厚度附加量之和,mm;C1為厚度減薄附加量,包括加工和螺紋深度及材料厚度負(fù)偏差,mm;C2為腐蝕或磨蝕附加量,mm;Y為系數(shù),當(dāng)ts

4.1.1 壁厚公式的理論基礎(chǔ)不同

承受內(nèi)壓的直管屬于旋轉(zhuǎn)殼體的一種,旋轉(zhuǎn)殼體應(yīng)力分析理論有兩類:一是忽略彎矩的無(wú)力矩理論，即薄膜理論;另一是彈性力學(xué)應(yīng)力分析理論。前者導(dǎo)出的是壁厚計(jì)算的薄膜應(yīng)力公式,該公式計(jì)算的是沿壁厚均勻分布的兩向應(yīng)力,即軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力,忽略了徑向應(yīng)力。后者導(dǎo)出的則是拉美公式[8-9],該公式計(jì)算的應(yīng)力是三向應(yīng)力,其中周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力沿壁厚為非線性分布,軸向應(yīng)力沿壁厚則是均勻分布。

GB 50251-2015采用ASME B 31.8-2010《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》的壁厚計(jì)算公式,該公式源于無(wú)力矩理論的薄膜應(yīng)力公式;GB 50316-2000(2008年版)采用ASME B 31.3-2004《工藝管道》規(guī)定的承受內(nèi)壓的直管設(shè)計(jì)壁厚公式,該公式是拉美公式的經(jīng)驗(yàn)近似式[10]。

由上述分析可知,輸氣管道和工業(yè)管道的壁厚計(jì)算公式的理論基礎(chǔ)是不同的,前者采用無(wú)力矩理論,后者采用彈性力學(xué)應(yīng)力分析理論,而且兩者均分別采自于美國(guó)壓力管道規(guī)范ASME B 31.8《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》與ASME B 31.3《工藝管道》。

4.1.2 管道安全理念不同

輸氣管道與工業(yè)管道在確定管道壁厚的計(jì)算公式中都考慮到了安全系數(shù),這是工程設(shè)計(jì)中的基本因素,目的是為在管道運(yùn)行期間對(duì)可能損害管道安全的各種因素提供適當(dāng)?shù)陌踩Ａ?在輸氣管道壁厚計(jì)算公式中體現(xiàn)為強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)F,在工業(yè)管道壁厚計(jì)算公式中則體現(xiàn)在設(shè)計(jì)溫度下材料的許用用力[σ]t上,影響管道安全系數(shù)的因素主要有:材料的可靠性;提供材料機(jī)械性能數(shù)據(jù)的代表性;材料屈強(qiáng)比的大小;強(qiáng)度計(jì)算公式的準(zhǔn)確性;制造、安裝工藝的完善性;檢驗(yàn)技術(shù)的先進(jìn)性,檢驗(yàn)項(xiàng)目的多少和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)合格要求的高度;使用運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的成熟性等[11]。

輸氣管道與工業(yè)管道雖然都考慮了管道壁厚計(jì)算的安全系數(shù),但由于兩者所處的自然環(huán)境和社會(huì)條件完全不同,因此在管道安全系數(shù)確定的出發(fā)點(diǎn)和具體規(guī)定上也就完全不同。輸氣管道由于需穿越各種自然環(huán)境和城市村鎮(zhèn),因此根據(jù)管道通過區(qū)域的不同環(huán)境條件采用改變管道應(yīng)力水平(即改變管道壁厚)以強(qiáng)度確保管道自身的安全,從而為管道周圍環(huán)境提供安全保障(即采用不同的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)F)的理念,如此既可保證管道周圍環(huán)境的安全,同時(shí)也體現(xiàn)了管道的投資合理性。因此在GB 50251-2015中規(guī)定的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)F值根據(jù)地區(qū)分類而變化,由一級(jí)地區(qū)的0.8、0.72到四級(jí)地區(qū)的0.4。對(duì)于輸氣管道工程中的輸氣站內(nèi)壓力管道,由于輸氣站一般也獨(dú)立存在于環(huán)境條件較差的野外,故該規(guī)范也按其所處地區(qū)類別分別規(guī)定了強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)F值取0.5或0.4,強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)F值的規(guī)定與取值也源自于ASME B 31.8《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》。

工業(yè)管道的管道壁厚計(jì)算中,設(shè)計(jì)溫度下的材料許用應(yīng)力由材料的力學(xué)性能除以相應(yīng)的安全系數(shù)而得,GB 50316-2000(2008年版)規(guī)定的材料安全系數(shù)與GB 150-2011《壓力容器》中材料安全系數(shù)的要求相同[12]。由于工業(yè)管道處于有限范圍的工廠環(huán)境中,材料的安全系數(shù)根據(jù)材料的類型和力學(xué)性能(強(qiáng)度極限、屈服極限、持久強(qiáng)度、蠕變極限)的不同而取值,因此只要按照規(guī)范規(guī)定選取許用應(yīng)力值即可。許用應(yīng)力值的大小與工業(yè)管道所處的環(huán)境條件完全無(wú)關(guān),在GB 50316-2000(2008年版)規(guī)定使用應(yīng)力表中的值既體現(xiàn)了許用應(yīng)力所表達(dá)的安全強(qiáng)度,又體現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)的投資合理性。

輸氣管道和工業(yè)管道由于所處的環(huán)境條件的不同而導(dǎo)致了各自管道壁厚計(jì)算公式中安全系數(shù)的重大區(qū)別,且兩者在安全理念和規(guī)范內(nèi)容上存在重大差異,在設(shè)計(jì)上是無(wú)法統(tǒng)一的。

4.1.3 鋼管壁厚附加量不同

輸氣管道用鋼管的厚度是在用壁厚計(jì)算公式得出計(jì)算壁厚之后,圓整到鋼管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壁厚,一般沒有考慮材料厚度偏差和腐蝕裕量,但是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME B 31.8-2010《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》中規(guī)定只要采用該規(guī)范所列鋼管標(biāo)準(zhǔn)中的鋼管,則已經(jīng)考慮了鋼管的各種壁厚負(fù)偏差,并且加了裕量,例如采用API SPEC 5 L 《管線鋼管規(guī)范》(第45版),設(shè)計(jì)者則不必再另加厚度負(fù)偏差了。

工業(yè)管道的壁厚計(jì)算公式中則明確規(guī)定了應(yīng)該考慮厚度減薄附加量C1和腐蝕或磨蝕附加量C2。

4.2 鋼管材料選用與材料標(biāo)準(zhǔn)

輸氣管道由于距離長(zhǎng),鋼管用量巨大,且天然氣輸送量日益擴(kuò)大,因此輸氣管道朝著高壓力、大直徑方向發(fā)展,對(duì)鋼管材料的要求也朝著高強(qiáng)度、微合金化的方向發(fā)展。與輸氣管道工程相配套的鋼管也有了自成體系的鋼管標(biāo)準(zhǔn),在國(guó)際上得到廣泛應(yīng)用的鋼管標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)API SPEC 5 L 《管線鋼管規(guī)范》,目前我國(guó)正式翻譯出版的是第45版。該標(biāo)準(zhǔn)的最高鋼級(jí)為L(zhǎng) 830 M(PSL 2),規(guī)定的屈服強(qiáng)度最小值為830 MPa[13]。我國(guó)目前用在輸氣管道工程上的鋼管最高鋼級(jí)是L 555 M(X 80 M),中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的該鋼級(jí)最小屈服強(qiáng)度為555 MPa。國(guó)際上在API SPEC 5 L 《管線鋼管規(guī)范》基礎(chǔ)上編制了相應(yīng)的鋼管標(biāo)準(zhǔn)ISO 3183 《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》。中國(guó)在ISO 3183-2012《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上修改編制了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9711-2017 《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》[14],該標(biāo)準(zhǔn)在中國(guó)輸氣管道工程上得到了廣泛應(yīng)用,輸氣管道及站場(chǎng)用的鋼管在鋼級(jí)選用、化學(xué)成分要求、拉伸試驗(yàn)要求、沖擊試驗(yàn)、尺寸及其偏差、水壓試驗(yàn)等方面的技術(shù)要求均按照該標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。管線鋼管在煉鋼軋制工藝上采用了微合金化理論和控軋控冷工藝,使鋼材得到針狀鐵素體或低碳貝氏體的金相組織,保證了鋼管既具有高強(qiáng)度,又具有良好的可焊性,這是與工業(yè)管道用鋼管在技術(shù)上的重大區(qū)別,GB 50349-2015《氣田集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定氣田集輸管道用鋼管也是選用GB/T 9711《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》[15]。

工業(yè)管道由于其所屬裝置/工程的原料和產(chǎn)品的多樣化,其設(shè)計(jì)參數(shù)更是各不相同,鋼管使用量不是太大,因此工業(yè)管道選用的鋼管尚無(wú)自成體系的標(biāo)準(zhǔn),均是使用相應(yīng)的鋼材和鋼管標(biāo)準(zhǔn),GB 50316-2000(2008版)所列的鋼材標(biāo)準(zhǔn)有:鋼管標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13793《直縫電焊鋼管》、GB/T 9948 《石油裂化用無(wú)縫鋼管》、GB 6479《高壓化肥設(shè)備用無(wú)縫鋼管》、GB/T 8163《輸送流體用無(wú)縫鋼管》、GB 3087《低中壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》、GB/T 5310 《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》、GB/T 12771 《流體輸送用不銹鋼焊接鋼管》、GB/T 14976 《流體輸送用不銹鋼無(wú)縫鋼管》;鋼板標(biāo)準(zhǔn)GB 912 《碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼 熱軋薄鋼板和鋼帶》、GB/T 3274 《碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼 熱軋鋼板和鋼帶》、GB 713 《鍋爐和壓力容器用鋼板》、GB 3531 《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》、GB/T 4237 《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》。

這些鋼材標(biāo)準(zhǔn)也是其它類別壓力管道和其它工業(yè)工程普遍采用的,工業(yè)管道由于設(shè)計(jì)條件多樣化,且有的設(shè)計(jì)條件要求很嚴(yán)格,因此對(duì)其材料的選用在規(guī)范GB 50316-2000(2008版)中有專門一章進(jìn)行了規(guī)定,其中很多規(guī)定與輸氣管道的材料要求是大不一樣的,所以輸氣管道與工業(yè)管道在材料選用及材料標(biāo)準(zhǔn)上均有很大區(qū)別。

4.3 沖擊試驗(yàn)溫度及沖擊功要求

輸氣管道(包括輸氣站)由于其所處自然環(huán)境條件一般都在野外,受自然環(huán)境(特別是環(huán)境低溫)的影響比較大,輸送介質(zhì)天然氣在管道中的溫度并不高,因而輸氣管道用鋼管對(duì)其低溫沖擊韌性的要求特別高,以防止鋼管脆性斷裂擴(kuò)展和控制延性斷裂擴(kuò)展。我國(guó)對(duì)輸氣管道工程中干線和站場(chǎng)用鋼管提出了在API SPEC 5 L 《管線鋼管規(guī)范》的基礎(chǔ)上對(duì)鋼管管體和焊縫進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)的要求,規(guī)定其試驗(yàn)溫度應(yīng)低于管道通過當(dāng)?shù)氐淖畹铜h(huán)境溫度,一般取-10、-20、-30 ℃,夏比沖擊韌性合格值根據(jù)不同鋼級(jí)和管徑分別為27、40、54、80 J(3個(gè)試樣最小平均值),此外還要求對(duì)鋼管試樣進(jìn)行落錘撕裂試驗(yàn)(DWTT),試樣的平均剪切面積應(yīng)≥85%,詳細(xì)要求可以參見CDP-S-NGP-PL-006-2011-2 《天然氣管道工程鋼管用技術(shù)條件》和CDP-S-NGP-PL-009-2011-2《油氣管道工程站場(chǎng)用鋼管通用技術(shù)條件》。

工業(yè)管道對(duì)管道設(shè)計(jì)溫度≤-20 ℃而高于鋼材使用溫度下限的碳素鋼、低合金鋼、中合金鋼和高合金鐵素體鋼,要求進(jìn)行夏比低溫沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)沖擊功合格值根據(jù)不同的鋼材分別為≥18、20、27、31 J(3個(gè)試樣平均值),GB 50316-2000(2008版)中均有明確規(guī)定。

以上對(duì)比可見,輸氣管道與工業(yè)管道設(shè)計(jì)規(guī)范都針對(duì)各自管道所處的環(huán)境條件和工況對(duì)鋼管提出了夏比低溫沖擊試驗(yàn)的要求,但兩者之間有很大差別,特別是在夏比低溫沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度與合格值上差異很大。

4.4 設(shè)計(jì)、施工、安裝規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)

輸氣管道和工業(yè)管道都有各自不同的設(shè)計(jì)、施工、安裝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系,GB 50251-2015和GB 50316-2000(2008年版)都規(guī)定了引用的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,從這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的不同也可以看出這兩類壓力管道的重大區(qū)別,這兩類壓力管道執(zhí)行的部分規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 輸氣管道和工業(yè)管道應(yīng)用的部分規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比表

Tab.2 Some codes of gas pipeline and industrial pipeline application

規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)類別不同管道類別應(yīng)用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)輸氣管道工業(yè)管道設(shè)計(jì)GB 50251-2015 《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50316-2000 《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》(2008年版)材料GB/T 9711-2017 《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》GB 5310 《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》GB 6479 《化肥設(shè)備用高壓無(wú)縫鋼管》防火GB 50183 《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50160 《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》總圖SY/T 0048 《石油天然氣工程總圖設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50187 《工業(yè)企業(yè)總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》保溫防腐GB 50538 《埋地鋼質(zhì)管道防腐保溫層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50264 《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T 4272 《設(shè)備及管道保溫技術(shù)通則》GB 8175 《設(shè)備及管道保溫技術(shù)導(dǎo)則》焊接SY/T 0452 《石油天然氣金屬管道焊接工藝評(píng)定》SY/T 4103 《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》(該標(biāo)準(zhǔn)被GB/T 31032 《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》代替[16]) GB 50236 《現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工業(yè)金屬管道焊接工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》施工驗(yàn)收GB 50369 《油氣長(zhǎng)輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB 50540 《石油天然氣站內(nèi)工藝管道施工規(guī)范》GB 50235 《工業(yè)金屬管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB 50184 《工業(yè)金屬管道施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》無(wú)損檢測(cè)SY/T 4109 《石油天然氣鋼質(zhì)管道無(wú)損檢測(cè)》JB/T 4730 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》(JB/T 4730應(yīng)該被NB/T 47013代替)

4.5 所處自然及社會(huì)條件與設(shè)計(jì)、施工

由于輸氣管道與工業(yè)管道所屬的項(xiàng)目功能不同,因此它們所處的自然環(huán)境及社會(huì)條件也就有著巨大差別,這些差別會(huì)直接體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、材料選用、施工安裝、檢驗(yàn)與驗(yàn)收、生產(chǎn)運(yùn)行等各個(gè)環(huán)節(jié)中,而且在使用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中也都存在著由這些差別導(dǎo)致的不同技術(shù)要求。

輸氣管道由于跨越長(zhǎng)度大,即使同一條管道在不同位置所處的自然環(huán)境及社會(huì)條件相差都會(huì)很大,而與工業(yè)管道在技術(shù)要求上的差別體現(xiàn)在地形地貌、氣候、濕度和建構(gòu)筑物、人群及社會(huì)活動(dòng)等方面,例如:

1)管道壁厚計(jì)算公式強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)隨著地區(qū)類別不同而取值。

2)管道鋼管的坡口形式和尺寸應(yīng)滿足管道清管器通過的要求。

3)管線連頭口的焊縫宜預(yù)留在地形較好的直管段上,不應(yīng)強(qiáng)力組對(duì)。

4)輸氣站內(nèi)管線應(yīng)采用地上或埋地敷設(shè),不宜采用管溝敷設(shè)。

5)站場(chǎng)埋地鋼質(zhì)管道的防腐層宜采用加強(qiáng)級(jí)或特加強(qiáng)級(jí),可采取外防腐層加陰極保護(hù)的聯(lián)合防護(hù)措施。

6)當(dāng)惡劣氣候條件影響焊接質(zhì)量時(shí),應(yīng)停止焊接,惡劣氣候條件包括(但不限于)大氣潮濕、風(fēng)沙或大風(fēng),如有條件,可使用防風(fēng)棚焊接,焊接工藝規(guī)程應(yīng)規(guī)定適于焊接的氣候條件[17]。

工業(yè)管道所屬的裝置/工廠一般都處于地形平整的有限空間范圍內(nèi),而且與周圍社會(huì)是隔離的,因此不論是施工還是運(yùn)行階段都有比較良好的自然環(huán)境和社會(huì)條件,所以輸氣管道的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的許多技術(shù)規(guī)定在工業(yè)管道規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中是沒有的,這是兩者的一個(gè)重大區(qū)別。

5 美國(guó)相關(guān)規(guī)范編制歷史變遷的啟示

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ASA)于1926年為開發(fā)壓力管道規(guī)范設(shè)立了一個(gè)B 31項(xiàng)目,其主管機(jī)構(gòu)是當(dāng)時(shí)美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME),B 31專業(yè)委員會(huì)經(jīng)過數(shù)年的工作,于1935年頒布了第1版《美國(guó)壓力管道試行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》,該規(guī)范由適用于不同行業(yè)的幾個(gè)獨(dú)立篇章構(gòu)成,后來于1942年出版了正式的ASA B 31.1《美國(guó)壓力管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“ASA B 31.1”)。

從1955年開始,ASA B 31.1中適用于不同行業(yè)的幾個(gè)獨(dú)立篇章被分離出來分別編制成為不同的壓力管道規(guī)范出版,首先是ASA B 31.8 《氣體輸送和分配管道系統(tǒng)》,隨后是1959年出版的ASA B 31.3 《石油煉廠管道規(guī)范》,此后其它獨(dú)立的篇章也陸續(xù)被出版成為相應(yīng)的壓力管道規(guī)范,其規(guī)范編號(hào)如下:B 31.1 《動(dòng)力管道》，B 31.2 《燃?xì)夤艿馈?1988年撤銷)，B 31.3 《工藝管道》，B 31.4 《烴類,液態(tài)石油氣,無(wú)水氨和酒精的液體輸送管道系統(tǒng)》，B 31.5 《冷凍管道》，B 31.6 《化工廠管道》(從未出版)，B 31.7 《核管道》(移入ASNE鍋爐壓力容器規(guī)范第Ⅲ卷《核電站部件建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》)，B 31.8 《氣體輸送和分配管道系統(tǒng)》，B 31.9 《建筑用管道》，B 31.10 《深冷管道》(從未出版)，B 31.11 《漿液管道》。

B 31.6 《化工廠管道》初稿于1974年完成,但由于該規(guī)范與B 31.3 《工藝管道》內(nèi)容關(guān)聯(lián)太密切,因此1976年二者被合并成ANSI B 31.3-1976 《化工廠和煉油廠管道》出版[17]。

B 31專業(yè)委員會(huì)曾編寫了B 31.10 《深冷管道規(guī)范》草案并于1981年擬上報(bào)批準(zhǔn),但也由于它與ASNI B 31.3 《化工廠和煉油廠管道》關(guān)聯(lián)太密切,因此也將其并入ANSI/ASME B 31.3-1984《化工廠和煉油廠管道》于1984年出版[10]。

1978年12月美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(ANSI)B 31專業(yè)委員會(huì)改組成ASME壓力管道規(guī)范B 31委員會(huì),壓力管道規(guī)范編號(hào)改為ASME B 31。

ASME B 31.8 《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》自1955年正式出版以來,至2018年共修訂出版了20個(gè)版本。

從ASME B 31.3 《工藝管道》和ASME B 31.8 《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》修訂出版的歷史可以得到以下啟示:

1)與早期出版的ASA B 31.3 《石油煉廠管道規(guī)范》在內(nèi)容上有密切關(guān)聯(lián)的B 31.6 《化工廠管道》和B 31.10 《深冷管道》經(jīng)過25年的實(shí)踐,都被合并到B 31.3 《工藝管道》中出版成為新的規(guī)范B 31.3 《工藝管道》,自1984年出版了B 31.3規(guī)范后,雖然每隔3年增加、更新內(nèi)容,但該規(guī)范并沒有再與其他壓力管道規(guī)范發(fā)生合并。

2)ASME B 31.8 《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》自1955年獨(dú)立正式出版以來,雖然至今經(jīng)過60年的修訂出版,但從未與其他壓力管道規(guī)范發(fā)生過合并或重大修訂,與ASME B 31.3 《工藝管道》從未發(fā)生過在內(nèi)容分類上合并交集之事。

由此可見,ASME B 31.8 《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》與ASME B 31.3 《工藝管道》是兩個(gè)不同類別且完全獨(dú)立的管道體系的規(guī)范。

6 對(duì)策

1)輸氣管道與工業(yè)管道雖同屬壓力管道范疇,但在功能、屬性、材料選用、焊接施工、生產(chǎn)運(yùn)行等方面都有重大區(qū)別,應(yīng)是自成體系的不同類別的壓力管道,因此,在技術(shù)和管理上應(yīng)區(qū)別對(duì)待,不能將其混同在一起。

2)輸氣管道與工業(yè)管道都有各自完整獨(dú)立的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系,因此從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)運(yùn)行的全過程中都應(yīng)該遵循各自體系的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),從而保證輸氣管道和工業(yè)管道的正常安全運(yùn)行。

3)不同類別的壓力管道有著不同的材料體系,特別是在高、低溫工況下的材料性能,必須得到保證,因此輸氣管道和工業(yè)管道應(yīng)遵循規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,在各自的材料體系中選材,合理使用材料,保證管道的安全性。

7 結(jié)論

輸氣管道和工業(yè)管道是功能、屬性完全不同的兩類各自獨(dú)立的壓力管道,二者都有成熟完整的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系,在設(shè)計(jì)、施工和管理的各個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)根據(jù)這個(gè)原則區(qū)別對(duì)待,進(jìn)行生產(chǎn)和運(yùn)行管理。