宋飛

中國石油管道公司

GB50253-2014《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》和GB50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》是目前我國油氣管道工程設(shè)計的主要技術(shù)規(guī)范。和舊版本相比， GB50253-2014主要修訂了管道與建構(gòu)筑物的間距、泄壓、試壓等規(guī)定。 GB50251-2015主要修訂了強度設(shè)計系數(shù)、管道與建構(gòu)筑物的間距、線路截斷閥間距、管道線路放空、試壓與焊接檢驗等規(guī)定。

GB50253和GB50251在修訂過程中，總結(jié)了國內(nèi)近年來油氣管道工程實踐和經(jīng)驗，并參考了美國機械工程師學(xué)會（ ASME）、加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ CSA）等北美的油氣管道標(biāo)準(zhǔn)以及美國聯(lián)邦法規(guī)（ CFR），但比較它們的內(nèi)容結(jié)構(gòu)與條文規(guī)定，仍存在一些重要差別。本文將分析對比它們在地區(qū)等級劃分、設(shè)計系數(shù)、線路截斷閥間距、管道與周邊建構(gòu)筑物的間距、放空、試壓、管輸氣體加臭等方面存在的差異。本文對比分析的ASME B31.4的版本是2012年版，其他若不加特別說明，均指所述法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的最新版本。

1 地區(qū)等級劃分

地區(qū)等級劃分是美國和加拿大主導(dǎo)提出的，主要用于輸氣管道設(shè)計，用來確定管道強度設(shè)計系數(shù)，是CFR和ASME、 CSA標(biāo)準(zhǔn)早期版本的核心內(nèi)容，后來高蒸汽壓（ HVP）液體（如LPG、液氨）管道也采用了地區(qū)等級劃分。我國在上世紀(jì)70年代參考ASME B31.8引入了地區(qū)等級劃分，摒棄了原來借鑒蘇聯(lián)采用的輸氣管道與沿線建構(gòu)筑物間設(shè)置安全距離的做法。地區(qū)等級劃分是北美與中國輸氣管道設(shè)計的重要基礎(chǔ)，體現(xiàn)了輸氣管道在設(shè)計上以強度保安全的核心理念，是與輸油管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的重要區(qū)別。在輸油管道設(shè)計上，中國與北美均采用設(shè)置安全防護（緩沖）距離來控制安全。

GB50251-2015與北美輸油氣管道標(biāo)準(zhǔn)均將管道經(jīng)過的地區(qū)劃分為4個地區(qū)等級（見表1），但是地區(qū)等級的判定不同。首先，在區(qū)段劃分上，北美的做法均將管道中心線兩側(cè)各200m、任意長度為1.6km的范圍劃分為一個區(qū)段，而GB50251對于區(qū)段長度擴大至了2km。其次，每個區(qū)段內(nèi)的居民戶數(shù)也較北美規(guī)定寬泛，允許的戶數(shù)更多。之所以有這些區(qū)別， GB50251-2015條文說明指出主要是考慮了我國人口密度大的國情。

另外， GB50251-2015 參考ASME B31.8和CSAZ662將一級地區(qū)進(jìn)一步細(xì)分為一級一類和一級二類，而這種劃分卻始終未被美國聯(lián)邦法規(guī)所采納。由表1及區(qū)段劃分的差別可以看出，我國在不同等級地區(qū)所允許的居住人口密度遠(yuǎn)大于北美，基于在輸氣管道設(shè)計的其他方面（如材料、焊接、試壓等）及運行維護采取同等技術(shù)要求的條件下，我國輸氣管道的安全保障水平是低于北美的，或者說我國需要承受更大的失效風(fēng)險。

2 設(shè)計系數(shù)

劃分地區(qū)等級的目的是區(qū)分管道強度設(shè)計系數(shù)，管道強度設(shè)計系數(shù)與地區(qū)等級配套使用，最早用于輸氣管道設(shè)計，后來也被高蒸汽壓液體管道所采用。GB50251-2015規(guī)定的強度設(shè)計系數(shù)主要參考了ASME B31.8，增加了一級一類地區(qū)和一級二類地區(qū)，引入了0.8的設(shè)計系數(shù)。但值得注意的是，美國聯(lián)邦法規(guī) 49CFR 192至今未采納0.8的強度設(shè)計系數(shù)，允許的最大強度設(shè)計系數(shù)為0.72。 CSA Z662規(guī)定計算管道設(shè)計壓力的設(shè)計系數(shù)為F×L，設(shè)計系數(shù)（ F）取值為0.8， L為地區(qū)等級系數(shù)，對于非酸性天然氣管道，地區(qū)等級系數(shù)（ L）取值為：一級地區(qū)為1、二級地區(qū)為0.9、三級地區(qū)為0.7、四級地區(qū)為0.55。一般地段的輸氣管道的設(shè)計系數(shù)規(guī)定匯總見表2。由表2看出， CSA Z662的設(shè)計系數(shù)明顯高于其他標(biāo)準(zhǔn)。

另外，對于穿越管段， 49CFR 192 第192.111(d) 條規(guī)定：對于一級和二級地區(qū)通航水域中的鋼管, 設(shè)計系數(shù)必須等于或小于0.5。我國國家強制標(biāo)準(zhǔn)GB50423-2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》第3.2.2條對于水域穿越段的強度設(shè)計系數(shù)規(guī)定與美國聯(lián)邦法規(guī)不同，具體為：一級地區(qū)小型水域與大中型水域穿越段的設(shè)計系數(shù)分別為0.72和0.6，二級地區(qū)小型水域與大中型水域穿越段的設(shè)計系數(shù)分別為0.6和0.5。 GB50423未說明穿越水域是否區(qū)分通航，只是以穿越長度區(qū)分設(shè)計系數(shù)，設(shè)計系數(shù)的取值上明顯高于美國聯(lián)邦法規(guī)。

對于低蒸汽壓（ LVP）液體管道，也使用強度設(shè)計系數(shù)，但不區(qū)分地區(qū)等級。 49CFR 195第195.106條規(guī)定設(shè)計系數(shù)為0.72； ASME B31.4第403.2.1條規(guī)定設(shè)計系數(shù)不超過0.72，考慮管道用途和所處位置的不同，可降低設(shè)計系數(shù)； CSA Z662規(guī)定設(shè)計系數(shù)不超過0.8。新版GB50253第5.2.1條做了修訂，增加了“城鎮(zhèn)中心區(qū)、市郊居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、規(guī)劃區(qū)等人口稠密地區(qū)的設(shè)計系數(shù)應(yīng)取0.6”的規(guī)定。

3 管道與周邊建構(gòu)筑物的間距

49CFR 195第195.210條規(guī)定管道與兩側(cè)民宅、工業(yè)建筑或公眾聚居區(qū)間的距離不應(yīng)小于15m，但在將管道埋深加深12英寸（ 305mm）的前提下可縮小間距。

GB50253-2014第4.1.6條規(guī)定原油、成品油管道與城鎮(zhèn)居民點或重要公共建筑的距離不應(yīng)小于5m，而舊版（ 2003年版）的規(guī)定為15m，因受條件限制采取有效措施后也不宜小于8m，新版的要求大幅降低了； GB50251-2015第4.1.1規(guī)定管道中心線與周邊建構(gòu)筑物的最小間距不應(yīng)小于5m，與GB50253-2014的規(guī)定相同，而舊版（ 2003年版）未做規(guī)定。

二者在條文說明里解釋說，新版對間距修訂的主要依據(jù)是《中華人民共和國石油天然氣管道保護法》第三十條規(guī)定，即：禁止在管道線路中心線兩側(cè)各五米范圍內(nèi)進(jìn)行深根植物種植、取土、采石、挖掘、修建構(gòu)筑物等危害管道安全的行為。但管道保護法第三十一條又規(guī)定，管道線路中心線兩側(cè)修建的建構(gòu)筑物與管道線路和管道附屬設(shè)施的距離應(yīng)當(dāng)符合國家技術(shù)規(guī)范的強制性要求�！吨腥A人民共和國石油天然氣管道保護法釋義》對此解釋為：第三十條規(guī)定管道兩側(cè)五米的范圍禁止危害管道安全的行為，主要是出于保護管道本體的考慮，避免管道周邊的活動誤傷損壞管道；對于第三十一條安全距離的規(guī)定，則是出于考慮管道破損失效后對于周邊居民的影響，需要技術(shù)規(guī)范給出安全的失效緩沖距離。 GB50253-2014的條文說明中刪除了舊版（ 2003年版）中關(guān)于適當(dāng)?shù)木嚯x可以減緩管道失效對于周邊居民安全影響的考慮，僅從節(jié)約用地和滿足施工作業(yè)及運行維護的需要考慮，縮小了與周邊建構(gòu)筑物的間距要求。上述修訂對于我國油氣管道建設(shè)和保護將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，值得在工程實踐和管道運行管理中進(jìn)行認(rèn)真總結(jié)。

4 線路截斷閥間距

輸氣管道設(shè)置線路截斷閥的目的是便于管道維護修理以及當(dāng)管道發(fā)生破損時，盡可能減少損失和防止事故擴大。對比GB50251-2015與CFR192、ASME B31.8、 CSA Z662發(fā)現(xiàn)，我國與北美對輸氣管道線路截斷閥最大間距的要求基本相同，但需要指出的是， GB50251-2015參考CSA Z662規(guī)定允許按照地區(qū)等級對線路截斷閥間距進(jìn)行調(diào)增。線路截斷閥最大間距規(guī)定匯總對比見表3。 49CFR 192對輸氣管道截斷閥間距要求較為嚴(yán)格。

ASME B31.8和CSA Z662指出：在確定輸氣管道線路截斷閥間距時，可以通過工程評估確定，或者按照其規(guī)定的最大允許間距確定。進(jìn)行工程評估時，主要考慮放空量或漏失量、放空時間、運行連續(xù)性、放空對周邊的影響等因素。隨著輸氣管道向大口徑、高壓力的發(fā)展，考慮到減少線路截斷閥間管段的放空損失量、縮短放空時間、保障下游用氣安全等因素，同時具體到我國輸氣管網(wǎng)末段靠近用氣市場的區(qū)域用于調(diào)峰的儲氣庫規(guī)模偏小的現(xiàn)狀，建議我國在工程實踐中可適當(dāng)縮小輸氣管道線路截斷閥間距。

對于低蒸汽壓液體（如原油、成品油）管道，北美法規(guī)和協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)均未給出具體的線路截斷閥間距要求，但給出了設(shè)置原則，且均要求在主要河流和飲用水水源地穿越段兩側(cè)設(shè)置截斷閥。其中， 49CRR 195第195.260條指出高水位線大于30m的河流穿越兩側(cè)應(yīng)設(shè)置截斷閥。

GB50253-2014規(guī)定應(yīng)設(shè)置線路截斷閥，且4.4.2條規(guī)定：原油、成品油管道線路截斷閥的間距不宜大于32km。對于環(huán)境敏感區(qū)域管段，GB50253第4.4.4條規(guī)定：埋地輸油管道沿線在河流大型穿跨越及飲用水水源保護區(qū)兩端應(yīng)設(shè)置截斷閥。在人口密集區(qū)管段或根據(jù)地形條件認(rèn)為需要截斷處，宜設(shè)置線路截斷閥。 GB50423-2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的大型河流穿越指多年平均水位線大于或等于100m的河流，小型河流穿越指多年平均水位線不大于40m的河流。結(jié)合GB50253和GB50423的規(guī)定，我國對于河流穿越兩側(cè)設(shè)置截斷閥的要求低于美國聯(lián)邦法規(guī)。

5 放空與泄壓

49CFR 192（§192.179 條）和ASME B31.8（ 846.2.1條）、 CSA Z662（ 4.4.10條）均在線路截斷閥章節(jié)對輸氣管道的線路放空進(jìn)行了規(guī)定，主要考慮到線路放空的設(shè)置與線路截斷閥間距、放空的可操作性等有關(guān)。三者均規(guī)定每個可被線路截斷閥隔離的管段應(yīng)設(shè)置放空，放空速度、放空能力滿足實際可做到的“盡快完成”。 GB50251參考ASMEB31.8的規(guī)定在新版修訂了3.4.2條，將原規(guī)定的“每個線路截斷閥上下游均設(shè)置線路放空”修訂為“每個管段應(yīng)設(shè)置放空”。對于放空能力、放空速度的規(guī)定， GB50251-2015第3.4.9條指出需滿足最大放空量的要求。其條文說明給出了中國石油所屬輸氣管道的放空時間一般為10～12h的做法。放空時間長短是放空管設(shè)計的重要影響因素，中石油在大型輸氣管道設(shè)計上一般采用10h，給出的說明是“借鑒西氣東輸一線的做法”。但筆者認(rèn)為10h的放空時間對于某些大型輸氣管道來說太長了，因為我國輸氣管道下游配套的儲氣能力不足，且下游用氣市場在氣源和供應(yīng)通道上也缺乏多元性， 10h的放空時間可能會嚴(yán)重影響供氣的穩(wěn)定性和連續(xù)性。有文獻(xiàn)（ M.Mohitpour, H.Golshan ,A.Murray,《Pipeline design & construction: a practical approach(third edition)》 ,ASME Press）表明，北美輸氣管道在管段兩端放空同時開啟的情況下，放空完成時間一般為30～60分鐘。

ASME B31.4和CSA Z662均指出設(shè)置泄壓是防止輸油管道或設(shè)備設(shè)施超壓的一種手段，但未對是否設(shè)置泄壓做出要求。 49CFR 195也未對是否設(shè)置泄壓做要求。 GB50253-2003第6.3.2條、 6.4.1條、6.5.1條、 6.10.8條對設(shè)置泄壓做出了強制規(guī)定，而在2015年新版里進(jìn)行了修改，指出是否設(shè)置站場泄壓應(yīng)根據(jù)瞬態(tài)水力分析結(jié)果確定，但保留了減壓站須設(shè)置站場泄壓的要求（ 6.3.11條），這是GB50253-2014修訂的一個重大變化。

6 試壓

GB50251-2015對輸氣管道的強度試壓規(guī)定進(jìn)行了修訂，最低和最大試壓壓力要求均提高了，修訂后在試壓介質(zhì)、最小試壓壓力方面的規(guī)定與ASME B31.8基本一致，但最大試壓壓力有區(qū)別。

GB50251-2015允許的最大試壓壓力低于ASME B31.8的規(guī)定； ASME B31.8對于水作為試壓介質(zhì)時，未規(guī)定最大試壓壓力。試壓介質(zhì)上， CSA Z662對于任何管段均許可采用氣體試壓，其8.7.2.3條規(guī)定了適用條件：當(dāng)管材符合加拿大國家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于切口韌性要求、是新管道且焊縫系數(shù)為1、試壓時符合一定條件，才允許采用空氣或不可燃、無危害氣體作試壓介質(zhì)。這些條件包括環(huán)境溫度過低、符合水質(zhì)的水量不夠、排水不便、管段沿線地形起伏引起水試壓分段過多、不允許管段任何點強度試壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力超過最低屈服強度的80%等（見表4）。

表中： DP指設(shè)計壓力， SMYS指管材最小屈服強度， MOP指最大運行壓力， NA指不允許， NR指未規(guī)定。

注1： GB50251和ASME B31.8不允許使用空氣。

注2：除空氣外，還允許使用天然氣。

注3： GB50251和ASME B31.8規(guī)定了在三級、四級地區(qū)使用空氣作為試壓介質(zhì)的條件，具體見表5。

注4：試壓介質(zhì)為水時， CSA Z662規(guī)定允許的最大試壓壓力為下述兩個值的較小者：（ 1）材料最小屈服強度的1.1倍；（ 2）采用壓力-體積圖法記錄試壓過程時記錄的壓力-體積曲線偏離直線0.2%的壓力點。

由表4并結(jié)合各標(biāo)準(zhǔn)對于設(shè)計系數(shù)的規(guī)定，雖然CSA Z662許可的設(shè)計系數(shù)高于其他標(biāo)準(zhǔn)，但CSA Z662也規(guī)定了更高的試壓壓力，通過試壓這一環(huán)節(jié)來檢驗管道的完整性，從而確保安全。

GB50251-2015與ASME B31.8也對三級和四級地區(qū)使用空氣作為試壓介質(zhì)提出了條件限制，規(guī)定“三、四級地區(qū)的管道試壓時最高環(huán)向應(yīng)力分別小于50%SMYS 和40%SMYS”（見表5）。49CFR 192第192.505條對于高壓力（運行壓力大于或等于30%SMYS）管道的試壓規(guī)定為：對于一級、二級地區(qū)管道周邊300英尺（ 91m）范圍內(nèi)有人員居住的建筑，試壓壓力不得低于最大運行壓力（ MOP）的1.25倍，如果試壓壓力超過0.5SMYS時可將周邊居民疏散，可以使用氣體作為試壓介質(zhì)。在各地區(qū)等級采用氣體試壓時，第192.503條規(guī)定了最大試壓壓力（見表6）。

上述對比可以看出，試壓介質(zhì)選擇上CSAZ662的規(guī)定最為靈活，在試壓壓力上CSA Z662的規(guī)定最高； GB50251在試壓介質(zhì)規(guī)定上與美國法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定基本一致，對于三級、四級地區(qū)使用氣體試壓的規(guī)定一致，但對于一級、二級地區(qū)的最大允許試壓壓力規(guī)定有差異，水試壓時規(guī)定的最大允許試壓壓力低于美國。

還需要指出的是，配合0.8強度設(shè)計系數(shù)的使用， GB50251-2015第11.2.3條第7款還提出了試壓的特別規(guī)定：一級一類地區(qū)采用0.8強度設(shè)計系數(shù)的管道，強度試驗結(jié)束后宜進(jìn)行管道膨脹變形監(jiān)測。對于膨脹變形量超過1%管道外徑的應(yīng)進(jìn)行開挖檢查；對于超過1.5%管道外徑的應(yīng)進(jìn)行換管，換管長度不應(yīng)小于1.5倍的管道外徑。而ASMEB31.8和CSA Z662均沒有針對0.8設(shè)計系數(shù)提出特別的試壓要求。

對于輸油管道的強度試壓， 49CFR 195第195.304條規(guī)定試壓壓力可等于或大于1.25倍的最大運行壓力，第195.306條規(guī)定試壓介質(zhì)采用水，滿足一定條件時允許使用揮發(fā)性差的液體石油。 ASME B31.4第437.4條規(guī)定試壓壓力不小于1.25倍的設(shè)計壓力，當(dāng)試壓壓力超過0.9SMYS時需注意防止管道過度應(yīng)變，滿足一定條件時允許使用揮發(fā)性差的液體石油作為試壓介質(zhì)。 CSA Z662表8.1規(guī)定對于低蒸汽壓管道試壓壓力不低于1.25倍最大運行壓力（ MOP），允許使用氣體試壓；不管試壓介質(zhì)是水還是氣體，均規(guī)定了最大試壓壓力，與其對輸氣管道的規(guī)定一致（見表4）。 GB50253-2014刪除了舊版在滿足一定條件時允許使用氣體試壓的規(guī)定，第9.2.8條規(guī)定一般地段的試壓壓力不低于設(shè)計壓力的1.25倍（人口稠密區(qū)為1.5倍），同時要求最大試壓壓力不得超過0.9SMYS。GB50253對于試壓介質(zhì)的使用上，比北美的規(guī)定嚴(yán)格，最低試壓壓力與美國一致，但均低于CSA Z662的規(guī)定。另外， B50253-2014在最大和最低試壓壓力的規(guī)定上似乎存在矛盾。

7 管輸氣體加臭

GB50251、 ASME B31.8和CSA Z662均未對干線輸氣管道要求加臭， 49CFR 192第92.625條對氣體加臭做了規(guī)定：要求1976年12月31日以后，在三級、四級地區(qū)的干線輸氣管道必須對管輸氣體進(jìn)行加臭，且加臭量應(yīng)保證在20%LEL的濃度下可以用鼻子直接聞到，除非該區(qū)段下游管道的50%以上處于一級或二級地區(qū)。

8 結(jié)語

CFR、 ASME和CSA均有章節(jié)對管道運行環(huán)節(jié)提出了技術(shù)要求，如設(shè)備維護、腐蝕監(jiān)測與控制、管道完整性管理、管道巡護、人員資質(zhì)與技能、管道報廢等內(nèi)容，關(guān)注管道的全生命周期，并對其中每一部分需要參照的其他相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)做出了清晰的指引和要求，形成了清晰的樹形標(biāo)準(zhǔn)體系。國內(nèi)油氣管道行業(yè)缺乏此類關(guān)注管道全生命周期的系統(tǒng)性標(biāo)準(zhǔn)， GB50253和GB50251僅是工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)注面局限于設(shè)計，缺乏對全生命周期的考量，且與其他設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或施工標(biāo)準(zhǔn)形成多頭并列結(jié)構(gòu)，缺少綱領(lǐng)性規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)指引和串聯(lián)。

國內(nèi)對于油氣管道的運行要求分散在其他推薦性的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)里，規(guī)范約束性較差。而CFR、 ASME、 CSA均指出管道運行過程的技術(shù)要求與材料、設(shè)計、施工等建設(shè)環(huán)節(jié)是一個系統(tǒng)的整體，有機協(xié)調(diào)才能全方位的保證管道安全。建議我國在修訂標(biāo)準(zhǔn)時參考北美規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在技術(shù)規(guī)定的各個環(huán)節(jié)上考慮相互間的承接性和系統(tǒng)性，促進(jìn)我國油氣管道標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)水平的不斷提升。

（作者：宋飛，中國石油管道公司生產(chǎn)處副處長，高級工程師，現(xiàn)主要從事油氣管道運行管理工作。）

《管道保護》2016年第3期（總第28期）