关于《输气管道工程设计规范》的修改意见

关于?输气管道工程设计标准?的修改意见摘要：?输气管道工程设计标准?目前正在修改之中。对于标准中有关水、烃露点、温度、设计压力、最大操作压力和平安阀泄放压力的关系，设计系数选用，系统优化设计，系统分析，钢的韧性规定值提出了修改建议。关键词：输气标准、修改理由、建议一、概述?输气管道工程设计标准?GB 50251(以下简称?标准?)，于1994年首次公布实施。?标准?在编制过程中，认真总结了我国输气管道建设的经验和教训，广泛征求了国内同行专家、工程技术人员的意见，充分吸收了国外同行业标准标准中先进实用技术，经反复修改而成。?标准?中首次规定了管输天然气水、烃露点、硫化氢含量的控制标准，以保证管输气质标准，提高输气工艺技术水平；?标准?中借鉴国外输气管道强度计算方法，明确规定我国输气管道强度计算的公式和计算方法；?标准?采用不同地区等级选用不同设计系数的强度平安设计准那么，解决了我国人口众多，居民住户密集，管道建设平安距离很难保证的难题。?标准?的公布实施，对输气管道建设起到了指导作用。在?标准?的指导下，我国先后成功地建成了陕甘宁一北京，靖边一西安，靖边银川，青海涩北气田一兰州，四川大天池输气干线和南干线复线等大型长距离输气管道，将我国天然气管道建设的技术水平提高到一个新水平。经过八年来的实践，?标准?中也暴露出一些矛盾和缺乏，特别是我国天然气管道工程建设进入一个新的开展时期，以西气东输为代表的管道工程已面临许多新的技术问题。管道建设新工艺、新技术、新设备、新材料不断应用，加快了管道建设的技术进步，标准中不全面，不适用的地方也应随技术进步而进行修改，使?标准?不断完善。现就修改内容提出几点意见和建议。二、天然气水、烃露点温度输气管线中出现水和烃凝液后，将影响管道的正常操作，降低输送效率，严重的还可能导致事故。为了保证输气管道正常输气，控制天然气水烃露点非常必要。天然气水烃露点温度，实质是一个汽液两相平衡问题，天然气的组分、输气压力和温度都会影响水烃露点的变化。长输管道接受多个气田来气，各气田天然气组成情况差异较大，就是同一气田，不同生产时期气体组成也有变化。气田净化厂因操作条件改变而影响天然气组成发生变化。由此将影响管输禾然气烃露点的变化。要保证管输过程中不出现凝液，应针对不同组成的天然气提出不同的烃露点要求。输气管道中输气压力是随输送距离而变化的。天然气中饱合含水量是随压力降低而增加，只要是满足了管道最高输气压力不出现烃凝液，输送过程仅压力降低就不会再出现烃凝液，故水露点应以管道最高工作压力作为水露点的压力条件。烃露点随压力变化的情况较复杂，不同烃含量的天然气随压力的变化，烃露点也将发生变化。含有C3以上组分的天然气，由于存在反凝析现象，一般在20MPa附近最易析出凝液。故烃的露点压力条件应以管输压力变化范围内最易析出凝液的压力为准。该压力可用软件径相平衡计算确定。输气管道在一般情况下管道起点进气温度高于管道沿线的环境温度，故在管输过程中，温度是逐渐降低。要保证管道内不凝析出水、烃凝液，理论水烃露点温度应低于输送条件下的最低环境温度，考虑到工程上平安，一般应比最低环境温度低5。由上述分析可知，管输天然气的水烃露点受温度、压力和天然气组成影响，因此，不能只提水、烃露点温度而无视压力和天然气组成成分。原标准中“水露点应比输送条件下最低环境温度低5、烃露点应低于或等于最低环境温度。建议修改为：“水露点应比最高输气压力条件下的最低环境温度低5，烃露点应根据输气压力变化范围、最低环境温度和天然气组成，经计算确定。保证输送过程不出现烃凝液。三、设计压力、最大操作压力和平安阀泄放压力在?标准?中将设计压力定义为“在相应的设计温度下，用以确定容器和管道计算壁厚及其他元件尺寸的压力值。对于管道的设计压力，至今仍无修改必要，关键是将管道和容器相提并论，多年来管道和容器处于同一设计压力时，其允许最大操作压力确有不同。按照容器遵循的?钢制压力容器?标准，其设计压力一般按照平安阀启跳压力确定。一般在有气源进入的站场和压缩机站都设有平安阀。平安阀定压后，为了满足设备的设计压力规定。其操作压力自然要按平安阀定压原那么扣减。结果是设计63MPa压力酌管道，其起点输气压力只能允许到达58MPa，由此管道输量将减少9，经济效益变差是显而易见的。输气管道系统正常工作条件下是一个密闭全程贯穿系统，容积大，加之气体的可压缩性，起端来气压力或压气站就是误操作或仪表失灵引起超压，其管道系统到达超压的时间也是很长的。以016145，站间距200km，设计压力为10MPa计算，工作状态下每升高01MPa压力，需进气195104m3。因此压力升高是缓慢过程，完全来得及处理，况且站内都还设有压力超限报警系统。将平安阀泄放压力定压不超过最大允许操作压力的110，也就是平安阀定压在11倍设计压力下是有平安保证的。平安阀泄放压力对于输气管道系统属于瞬时超压，这种状况发生次数少，持续时间也不会长(因还有压力超限报警)，允许瞬时超压在国外标准中都有明确规定。在美国B318?输气和配气管道系统?843441条对压气站平安泄放压力要求中规定：泄压装置应保证压缩机站的管线和设备最大允许操作压力不超过10。加拿大?油气管线系统?CANCSAZ66299中41412规定“如果压力控制系统出现故障，或其他原因，造成管道超过管道的最大操作压力的地方，应安装超压保护，以保证不超过最大超作压力10以上或35kPa(取其中较大者)。在ISO 13623：2000(E)?石油天然气工业管道输送系统?国际标准6322也规定“允许瞬变条件下的瞬变压力超过最大操作压力，条件是这种压力发生的次数和持续时间要有限，且不超过最大允许操作压力(MAOP)的10。综上所述，在本次?标准?修改中，建议明确规定，输气管线的最大操作压力应小于或等于设计压力，平安阀的起跳压力不得超过最大操作压力的10，这样规定可充分发挥管道的输气能力、经济效益将十清楚显。站内设备执行我国?钢制压力容器?的规定，其设备的设计压力是按平安阀起跳压力确定，也就是设备设计压力是管道设计压力的11倍，按此计算设备强度，但可以要求与管道系统相连的法兰连接尺寸应和管道对应设计压力的法兰连接尺寸一致，就可防止由于设备设计压力级别升级而导致法兰、阀门都随之升级的问题。四、设计系数输气管道的设计系数分别为072、06、05、04，它是按不同地区等级而分别选取的，而地区等级又是根据管道沿线人口密度(居民住户)的多少来划分的。标准中地区等级分为一、二、三和四共四个级别。设计时按地区等级分别选取设计系数，进行管子壁厚设计计算。上述方法源于美国?输气和配气管道系统?B318。在国外20世纪90年代后新出版的标准中，已把设计系数提高到08。如：加拿大国家标准?气体管线系统?CANCSAZ184M92中，一级地区为连续长度16km，管线两侧200范围内居民住房小于等于10户，其设计系数为08。在ISO13623：2000(E)?石油天然气工业管道输送系统?中规定：在不常有人类活动和永久性住宅地区(如沙漠、冻土地区)对于输送天然气的管道，环向应力系数可提高到083。在美国压力管道标准?输气和配气管道系统?ASMEB3181995中将一级地区分为一级一类和一级二类。一级一类地区是指1英里长，14英里宽范围内，供人居住的建筑物在10户或以下时，其设计系数大于072，等于或小于08。我国目前已建和正建设的管道已经进入无人居住的戈壁、沙漠中，该区因无人居住，管道受到损害的时机大大降低，且管道出事后对周围平安危害影响也很小，故可以适当提高管道的许用应力水平。设计系数选取08后带来的经济效益显著，以西气东输工程为例，该工程轮南一靖边至少有1200km处于戈壁荒漠中，无人居住，设计系数提高后钢材耗量和管材费用的比拟情况见表1，表中管子直径1016mm，设计压力10MPa，钢级X70。从表中可以看出设计系数08较072少用钢材40956t，节省管材费用24164万元。表1 不同设计系数比拟表工程设计系数备注0.720.8计算壁厚，mm14.513.1选用壁厚，mm14.513.1每米钢管重，kg358.13324.001200km管材重量，t429756388800管材费用，万元253556.04229392.005900元/t计算由于受到我国钢板和制管水平的限制，按现有螺旋焊缝钢管的质量水平，要将设计系数提高到，08还有许多工作要做，钢板的各向异性问题，管材的韧性，管口直径偏差，现场焊接质量标准，管道的现场试压等都还存在一些问题尚待解决，但不排除采用进口管材和国产管材质量提高的可能。从以上分析可以看出，设计系数的提高可以节省大量费用，假设能花局部投入给冶金和制管行业，提高管材质量，在施工中严把质量关，提高设计系数也是可能的。标准既要规定最低要求，同时也应给今后技术开展指明方向。建议在?标准?中增加“在管道通过一级地区内无永久居住人口区段，经平安性专题论证认为可行条件下，强度设计系数可提高至08”。五、系统优化设计系统优化设计是将影响输气管道工艺方案的各种设计参数，条件分别组合、构成多个工艺方案，经工艺计算和系统优化，最终确定推荐工艺方案的过程。设计参数包括输气压力，管径，钢级，钢管类型，线路走向，站场布置，压缩机压比、功率、驱动机类型等。设计参数构成的工艺方案数量很多，计算工作量很大，必须采用计算软件进行静态和动态模拟、才能到达系统优化的目的。系统优化最终目的是要在满足给定输送条件下，选定既能满足输送工艺要求，投资和运行费用又是最经济的方案。系统优化在计算机技术运用之前是很难实现的，目前已具备了这种条件。因此，将系统优化设计的要求写进?标准?是必要的，建议本次修改增加该局部内容。六、系统分析由于我国长距离输气管道的建设规模增大，供气范围和供气量扩大，对供气的可靠性要求提高。系统的可靠性分析就显得越来越重要。输气管道供气与用气的不平衡，致使管道处于不稳定工况下运行。分析不稳定工况变化的趋势和结果，是保证可靠供气所必需的。输气管道系统由成百上千公里管线，数十座压气站和站场构成，系统的每一个环节出现故障都将影响到整个系统的可靠性，因此研究当某一环节出现故障后，对整个系统可靠性产生的影响有多大，如何消除或降低这种影响，需制定各种应急预案，也必须经过系统分析才能完成。系统分析的工况分为设计工况(包括预测的不稳定工况)和事故工况。在设计工况确定的工艺运行条件下，对系统的各节点的工艺参数进行计算和分析，对系统的适应性和可靠性作出分析和评价。事故工况分析时应模拟对系统可靠性影响比拟大的几种典型事故，对输气管道系统进行动态计算，计算出管道系统在各种事故工况下的工艺参数和储气量的变化情况，分析管道系统事故自救能力，确定应采取的对策。对于大型、复杂的输气管道工程系统分析很有必要，建议纳入?标准?的条文中。七、管线钢的韧性韧性是指含裂纹的金属材料在破断前吸收能量和塑性变形的能力。输气管线钢韧性值的上下将直接关系管线的平安性，韧性高的钢管、抵御外力破坏能力强，失效时阻止裂纹扩展能力也较强。为了防止管线的脆性断裂，管线钢应提出韧性要求，在国外标准和国内管线钢标准中都已有明确规定。在B318中规定：如管径等于或大于NPS16(4064)的管子按操作时的环向应力为40SMYS至80SMYS设计时，或管径小于NPS16的管子按操作时的环向应力为72SMYS至80SMYS设计时，应规定断裂韧性指标或其他方法以控制裂纹扩展。在ISO 13623：2000(E)国际标准中对输气管道中采用的公称直径大于150的铁素体、铁素体奥氏体或马氏体不锈钢或碳钢其最小屈服强度小于等于360MPa的钢级，平均夏比冲击功不小于27J，单个不小于20J。其最小屈服强度大于360MPa的钢级，冲击功平均不小于40J，单个不小于30J。试验温度为管线最低工作温度。在GBT 97111?石油天然气工业 输送钢管交货技术条件 第1局部：A级钢管?中，未规定冲击韧性，在GBT971121999B级钢管中规定有出厂韧性要求选项，但定货时要注明选用平安系数的要求，不同平安系统有不同的韧性要求。近年我国建设的大型输气管道、都分别提出过钢管韧性要求，详见表2。表2 局部输气管线工程管线钢韧性规定指标钢级落锤撕裂试验夏比冲击试验(全尺寸)温度平均SA%最小SA%温度平均J最小J工程名称陕京线L415-309080-302518大天池输气干线X520857505236南干线复线X5210908005435涩兰线L415-109080-305035忠武线L450-158570-205545L415-109080-305035L360-109080-204028鉴于韧性指标对输气管道的平安重要性和工程建设的实践，在?标准?修订中建议将管线钢的韧性最低要求列入标准中。韧性值的最低要求应按?石油天然气工业输送钢管交货技术条件第2局部：B级钢管?GB97112表7规定执行。