国内外长输管道设计标准关键技术问题探讨

郭春雷1 谢辰2 武思雨3 马青山4

(1. 海工英派尔工程有限公司，山东  青岛  266101；2. 中国石油天然气股份有限公司管道分公司生产处，河北  廊坊  065000；3. 中国石油天然气股份有限公司管道分公司集体资产管理中心，河北  廊坊 065000；4. 中国石油天然气股份有限公司管道分公司  山东中油天然气有限公司，山东  济南 250000）

摘要：“十三五”期间，我国管道行业实现跨越式发展，归结于借鉴国外管道标准先进经验，提升管道设计运行水平。介绍了美国、加拿大、俄罗斯和澳大利亚的综合性管道标准。选取了长输管道设计领域的关键技术问题，基于我国管道工程实践经验，研究了国外标准与国内标准的差异性。其先进理念包括采用较高的管道设计系数和安全阀设计压力，基于管道失效后果和危害性的截断阀室选址原则，基于运行参数超标、紧急工况和管道维修的ESD系统触发条件，输气站控制室、高压变电柜、压缩机机房等场所限制授权进出，控制阀门设置在防火堤外部，站场固定消防系统备用泵用柴油机驱动，通风系统与易燃气体浓度、切断泵机组的逻辑控制关系等。最后，提出了我国管道设计标准的改进建议。

关键词：管道 设计标准 阀室 设计系数 ESD 输气站 输油泵

作者简介：郭春雷 (1982－) ，男，山东鱼台人，工程    师，本科，主要从事油气储运设计工作。

0  引言

“十三五”是我国石油行业快速蓬勃发展的重要时期，到2015年底长输管道总长度达到15万公里，其中重要经验就是借鉴国外管道标准先进经验，提升我国管道设计运行水平，例如参考美国标准ASME 31.8S《气体管道完整性管理系统》和API 1 1 6 0 《危险液体管道完整性管理规范》建立了管道完整性管理体系[1]。国外管道行业发过国家制定了管道设计、运行、维护等方面综合性标准，包括例如美国标准ASME B31.8-2014《输气和配气管道系统》、加拿大标准CSA Z662-2015《油气管线系统》、俄罗斯标准РД153-39.4-056-2000《干线输油管道运行技术规程》和澳大利亚标准AS 2885.3-2012《气体与液体石油管道-第3部分：运行和维护》，具有较强的通用性和权威性，代表了世界管道行业的技术现状和发展趋势[2]。本文由中国泵阀第一网编辑整理，本文选取了长输管道设计领域的关键技术问题，基于我国管道工程实践经验，研究了上述国外标准与国内标准的差异性，提出了国内标准改进建议，对于提高我国管道设计水平和保障管道安全运行具有指导意义。

1  管道设计系数选用

管道强度设计如较高的壁厚设计系数，可以充分利用管材承压能力，提高管道允许输送量等参数，减少管道建设投资成本[3]。国家标准GB 50251-2015《输气管道工程设计规范》规定一级地区输气管道设计系数为0.72，GB 50253-2014 《输油管道工程设计规范》规定输油管道设计系数为0.72。国外标准管道设计系数高于国内标准，美国标准ASME B31.8-2007规定一级地区1类和2类管道的设计系数分别为0.8和0.72；加拿大标准CSA Z662规定管道最大设计系数采用了0.80；ISO 13623规定一般线路管道环向应力的设计系数为0.77；目前在北美地区的Alliance管线、Rockies Express管线以及Alaska NG 管线已经采用了0.80甚至0.83的管道壁厚设计系数。国内已开展管道设计系数0.8条件下管道的临界缺陷极限尺寸、刺穿抗力、应力腐蚀开裂敏感性、可靠性和管道风险水平等。建议国内在满足管材、工艺及地质条件等因素的基础上，考虑将管道壁厚设计系数取值逐步增加到0.80甚至以上。

2  地区等级划分

由于城市化进程加快，人口密集区增多，现有的管道设计等级已无法确保实际运行中的安全性，造成了不协调现象的出现。国内外标准针对地区等级的划分方法基本相同，均依据管道通过地区用于居住的建筑物密集程度进行划分。国家标准GB 50251规定地区等级划分为沿管道中心线两侧各200m任意划分成长度为2km的范围内，按划定地段内的户数划分为四个等级（户数≤15户；15-100户；≥100户；四层楼房及以上城市），在农村人口聚集的村庄、大院、住宅楼，应以每一独立户作为一个供人居住的建筑物计算。GB 50251将输气管道划分为4个等级。建议酌情提高上限值至200左右，原因是部分区域发展较快，所属地区等级将来会增加，应在设计阶段有选择的提高部分区域的设计等级。

3  管道线路阀室

国内外标准关于阀室间距的规定基本一致，即输气管道（一级地区）和输油管道的阀室间距不大于32km。美国标准ASME B31.4规定在山区、穿越河流、穿越人口密集区等特殊情况下，输油管道截断阀室间距允许适当调整；加拿大标准CSA Z662规定天然气管道的截断阀室间距允许在规定范围内进行25%的距离调整。ASME  B31.8规定了截断阀设计应考虑的因素是维修和维护时气体的放空量、泄漏或断裂时气体的泄漏量隔离管段气体的排放时间、环境敏感区气体的排放、供气连续性影响和管道附近区域未来的发展。雪佛龙公司位于美国加利福尼亚州康特拉科斯达县（Contra Costa）的原油管道项目中，管道穿越人口密集区，在一段长度约为30英里（约48km）的管线上，共设计了5个远程控制阀室和7个手动阀室。美国管道阀室间距调整具有灵活性，选址重视管道失效后果和危害性对社会公众环境的影响，设计理念更为合理，具有借鉴意义。

4  安全阀设定值

美国标准ASME B31.8和加拿大标准CSA Z662规定管道系统中任何一点的运行压力不超过管道最大允许操作压力（Maximum Allowable Operation Pressure，MAOP）的1.1倍。国家标准GB  50251规定输气站和输气管道低点等可能存在超压的位置应设计泄压阀，泄压阀设定值P0应根据MAOP具体值范围区间确定：     18.0MAOP0P+= ，MAOP≤1.8MPa

(1)MAOP1.10P= ，1.8MPa≤MAOP≤7.5MPa  

(2)MAOP05.10P= ，MAOP＞7.5MPa

(3)针对处于中、低压范围的支线管道和以及站场工艺管道，国内外标准关于安全阀设定值基本一致；对于大口径、高压力的干线管道，国内标准关于泄压阀的设定值偏保守，降低了管道运行压力调节的允许范围和安全余量。目前国内外长输管道已广泛应用高强度水压试验，最大试压强度接近管材屈服强度，管道承压能力远高于1.1倍MAOP[4]。从方便管道运行管理角度，建议国内标准适当提高泄压阀设定值为1.1倍MAOP。

5  ESD系统

针对输气站场紧急停车系统（Emergency Shutdown，ESD）的功能，国内标准基本一致，即包括关闭进出站阀门、切断站外气体和燃料气供应、放空站内气体、关闭运行机组和燃气设备、切断除消防系统和应急电源以外的供电电源，以及启动自动灭火系统等。针对ESD系统的安装位置，国内外标准均规定在站内区域以外，至少设置两个独立使用的操作点，操作点设在靠近压气站进出口、安全且方便操作的地方。

此外，美国标准ASME B31.8 和加拿大标准CSA Z662规定压缩机站紧急停车系统距站界不超过150m。针对站ESD系统触发条件，澳大利亚标准AS 2885.3和国家标准GB  50251略有差异，澳大利亚标准AS 2885.3为紧急情况和管道维修，国家标准GB 50251为压缩机运行参数超限、火灾和气体报警等紧急情况，澳大利亚标准AS 2885.3涵盖范围更广；此外澳大利亚标准AS 2885.3要求站ESD系统能启动压缩机ESD系统，国内压缩机事故紧急停机一般为人员手动操作，这体现了国内外标准在压缩机操作和自动化控制方面的差异。

6  输气站安全出口设计

国家标准GB 50251 参照美国标准ASME B31.8 规定了输气站安全出口的距离要求，即压缩机房高于3m的操作平台至少设置2个安全出口，任意点与安全出口的最大距离不大于25m，压缩机房的平开门应向外开。国外标准还规定了以下输气站安全设计准则，操作性和实用性较强，例如加拿大标准CSA Z662规定压缩机房设计为开式屋顶，距离压缩机房60m以内的门均向外开启，围墙内有人时不上锁或无需钥匙可由内打开。澳大利亚标准AS 2885.3规定了输气站重点场所人员授权进出条件，即压缩机站的控制室、高压变电柜、压缩机机房等场所应视为限制进入区域，应设置访问权限，只有经过授权的人。员才能进入，防止未授权的人员进入站场和接触站场设备。本文由中国泵阀第一网编辑整理，近年来我国新建油气站场多处于森林、戈壁、沙漠等地区，存在无关人员和动物意外进入的安全隐患[5]。国外标准关于输气站安全设计既考虑了紧急情况人员疏散和消防的因素，也考虑了重要场所的进入权限问题，具有借鉴意义。

7  工艺控制阀设置位置

大连油库7.16火灾爆炸事故经验，在火灾事故状态下难以切断油源，进而导致灾难性后果[6]。针对储罐工艺控制阀的安装位置，国内标准没有明确规定。目前各油库的设计也不一致，较多位于防火堤内，且为手动阀门。如郑州站储油罐工艺控制阀安装在防火堤之外，而垂杨站储油罐工艺控制阀安装在防火堤之内，给运行上带来了安全隐患。调研加拿大Enbridge管道公司储罐控制阀一般在防火堤之外，且为电动阀门。

针对储罐防火堤工艺控制阀门设计，从设计上应该根据阀门电缆阻燃性能、阀门重要程度级别等因素来确定安装的位置，建议国内标准修订为油罐工艺控制阀应安装在防火堤外部；已安装在防火堤内部紧急截断阀（罐根阀），阀门的电气控制箱应设置在防火堤之外，其具备在防火堤外进行操作的功能，并选用耐火耐高温铠装电缆。

8  固定式消防系统的备用消防泵的驱动方式

大连油库7.16火灾爆炸事故经验，火灾发生之初火势并不大，但由于供电系统遭到破坏，导致无备用动力源的消防系统瘫痪，造成火灾扩大[6]。国内油气站场常规做法为：在满足双电源的情况下，消防工作泵、备用泵的驱动方式均选择电机驱动；在不具备双电源的情况下，工作泵、备用泵均选择柴油机驱动。存在问题是国内油库消防泵一般为双路交流供电，但边远地区达不到一级负荷供电要求，一旦站场停电，消防泵无法启动。国外使用柴油或丙烷为燃料的发电机快速启动消防泵的技术比较成熟，规定柴油机油料储备量应满足消防泵连续运转时间不低于6h的条件，确保发生火灾和电力中断情况下驱动消防泵。建议国内标准修订为消防泵房设置柴油发电机，固定式消防系统的备用消防泵的驱动方式采用柴油机驱动方式。

9  输油泵房和压缩机房通风系统设计

针对输油泵和压缩机房通风系统设计，国内尚未制定专门的标准，主要参照建筑行业标准和化工行业标准，标准条款多为推荐性指标，标准适用性有待提高，例如国家标准GB 50251和GB 50253规定输油站和压缩机房的通风设计应符合GB 50019-2003《采暖通风与空气调节设计规范》和SH/T 3004-2011《石油化工采暖通风与空气调节设计规定》，输油泵房/压缩机房宜设置机械通风设施，通风总量为每小时不小于房内容积8-12次换气量，一般设计正常通风系统和事故通风系统。俄罗斯标准РД 153-39.4-056-2000规定输油泵房易燃气体浓度超过最低爆炸下限10%，自动通风系统启动，同时发出灯光和声音报警信号；可燃气体浓度超过爆炸下限20%时启动紧急通风装置；易燃气体浓度超过爆炸下限30%时切断泵机组。输油泵房日常通风方式为上部1/3区域的自然通风和下部2/3区域的机械通风，机械通风设施定期运行（8次/h）。

针对通风系统运行频率，中俄标准基本一致。我国输油泵房一般设置油气检测探头，与轴流风机联锁，油气浓度达到一定程度，风机自动启动以保证安全。中国泵阀第一网编辑整理得知，俄罗斯标准规定通风系统与易燃气体浓度、切断泵机组的逻辑控制关系，顺序依次采用自动通风、紧急通风和停运输油泵的措施，具有借鉴意义。

10  结论与建议

（1）提高管道设计等级，地区等级划分原则中户数酌情提高至200户或以上；

（2）在满足管材、工艺及地质条件等因素的基础上，适当提高管道设计系数到0.80甚至以上；

（3）借鉴美国标准关于阀室间距调整和基于管道失效后果和危害性的选址原则；

（4）从方便管道运行管理角度，建议国内标准适当提高安全阀设定值为1.1倍MAOP；

（5）完善ESD系统触发条件，即在压缩机运行参数超限、火灾和气体报警等紧急情况，以及管道维修时启动站ESD系统；

（6）输气站控制室、高压变电柜、压缩机机房等场所视为限制进入区域并授权进出条件；

（7）新建工艺控制阀应安装在防火堤外部；已安装在防火堤内部紧急截断阀应具备在防火堤外进行操作的功能；

（8）站场消防泵房设置柴油发电机，固定式消防系统的备用消防泵的驱动方式采用柴油机驱动方式；

（9）借鉴俄罗斯标准关于通风系统与易燃气体浓度、切断泵机组的逻辑控制关系，顺序依次采用自动通风、紧急通风和停运输油泵的措施。