同沟敷设中油气管道的强度分析

张雪夫

（中石化浙江石油分公司，浙江杭州 310009）

近年来，随着西气东输管道工程的建成、沿海地区LNG的引进、成品油管道等工程的实施，浙江省油气管道建设迎来了一个高潮，目前已建成成品油约1 500 km和天然气管道2 000余km，在建油气管道仍有诸多条，多条管道向浙江内部腹地幅射以及成品油、天然气管道跨省大通道的贯通，这就不可避免地在一些地区有多种管道通过。浙江位于长江三角洲地区，管道沿线经济发达、人口密集、用地紧张，两条或多条管道并行或同沟敷设因其开挖面积少，节约土地和利于投资等客观的经济效益和社会效益，越来越受到政府和企业的关注。目前国内外尚无同沟敷设管道的国家或行业标准规范，因此如何处理各种管道同沟敷设对管道强度要求的问题显得尤为突出。本文目的在于对这一问题加以初步探讨。

1 现行标准对油气敷设的距离要求

我国油气管道的设计是执行《输油管道工程设计规范》GB50253和《输气管道工程设计规范》GB50251的标准，而这两个国家标准对埋地管道与其他用途的埋地管道平行敷设的间距均要求符合《钢管管道及储罐腐蚀控制工程设计规范》SY007中防腐的相关规定，考虑2条管道平行敷设或同沟敷设的间距，主要采用控制点法来保护电流密度，以避免相互干扰造成腐蚀。一般在不采取联合保护时，保持10 m间距即不会产生相互影响。若不能满足10 m间距，则采用加强防腐保护层来弥补，使阴极电流的密度降低到能够接受的程度。

美国联邦法规49CFR192章《管道安全法 天然气部分》第192.325条地下间距（a）安装的每条输气管道与任何与本输气管道无关的地下构筑物之间的间距，必须至少305 mm。如果无法实现这一间距，则必须对输气管道加以保护，避免因靠近其他结构物可能给管道造成的损坏。

美国的规范主要强调对油气管道自身安全性，既是要考虑与其他管道或地下构筑物间距的要求，也是从方便安装的角度出发，保证管道自身安装、维保和管理的需要。

油气管道同沟敷设时，应考虑管道本质安全、管道间热力影响、管道间阴极保护干扰以及管道施工与维抢修等因素。而这些因素的安全性，都与管道的壁厚有着关联。为此，计算和选择管道壁厚就变得尤为重要。

2 同沟敷设的油气管道壁厚计算与应用

同沟敷设管道，或相邻的2条、多条管道运行中，如果其中1条管道发生爆炸或燃烧事故，可能会产生冲击波或热力辐射，影响或危及其他管道的安全。此类管道事故的避免措施，与不同国家的管道安全理念有关。俄罗斯等国家以距离为安全理念设计管道，采用极限状态法计算管道壁厚，较大限度地发挥了管材强度潜能，达到节省钢材的目的。而我国与欧美国家则以强度为安全理念设计管道，采用许用应力法计算管道壁厚，服役时管道的应力以屈服强度乘以设计系数来控制，其自身极限强度小很多，在材料安全裕量上可做到防患事故于未然，因此在欧美国家的相关规范中并未提及管道间的距离要求。

油气管道同沟敷设，可以节省大量管道建设的时间和费用。而同沟敷设管道设计和运行中需要把握的最关键问题之一是采用提高管道的强度设计系数的方法来保证安全性，而管道的强度设计系数主要取决于管道的壁厚。据统计，管道的年公里事故率随着管道的壁厚增加而下降，管道的腐蚀及人力破坏等也是随着管道的壁厚增加而安全性增加，只有准确掌握管道的壁厚，才能使管道安全运行。

（一）输油管道直管段的钢管管壁厚度应按下式计算:

式中：δ—直管段钢管计算壁厚(mm)；

P—设计内压力(MPa)；

D—钢管外直径(mm)；

[σ]—钢管许用应力(MPa)。

输油管道直管段的许用应力应符合下列规定:

许用应力应按下式计算:

式中 [σ]—许用应力（MPa）；

K—设计系数，输送C5及C5以上的液体管道除穿跨越管段按国家现行标准《原油和天然气输送管道穿跨越工程设计规范》（SY/T 0015）的规定取值外。输油站外一般地段取0.72；输送液态液化石油气（LPG)管道设计系数取值，见本规范附录E；

σs—钢管的最低屈服强度，应按表1的规定取值；

Φ—焊缝系数。

由上述可见，壁厚与设计系数K成反比。根据设计规范要求，富余量及安全系数主要体现在设计系数K上：输油站外一般地段取0．72，如果提高同沟敷设的管路安全，取值可按一般穿越等级提高管道强度，一般取 0．6。

表1 钢管的最低屈服强度和焊缝系数（SY/T 0015）Tab．1 The minimum yield strength and weld coefficient table of 5．2．1 steel tube

（二）应用实例：某长输管道，根据实际工况采用了变径设计，首站—中途分输站普通段采用Φ508L415螺旋缝埋弧焊钢管，穿跨越段选用Φ508L415直缝埋弧焊钢管，设计压力8．5 MPa；中途分输站—末站普通段选用Φ457L415螺旋缝埋弧焊钢管，穿跨越段选用Φ457L415直缝埋弧焊钢管，设计压力9．5 MPa。沿线各分输站场进站管径分别为Φ457和Φ250，进站压力与所在段长输管线参数一致。计算并选取不同管径下普通段和穿跨越段及站场内钢管壁厚。

根据《输气管道工程设计规范》（GB50251-2003）表4.2.3和表4.2.4，选取线路普通段设计系数K=0.72，穿跨越段设计系数K=0.6。

根据《钢制压力容器》（GB150）和现行美国标准《工艺管线》（ASME B31.3）整理出的常用钢号和对应钢级的基本许用应力见下表。

根据钢管选用材质L415，其最低屈服强度σs=415 MPa。

表2 钢的基本号表Tab.2 Basie parameters of steel sheeta

(1)首站—中途分输站普通管段：

壁厚δ选取公称壁厚7.9 mm；

(2)首站—中途分输站穿跨越管段：

壁厚δ选取公称壁厚9.5 mm；

(3)中途分输站—末站普通管段：

壁厚δ选取公称壁厚7.9 mm；

(4)中途分输站—末站穿跨越管段：

壁厚δ选取公称壁厚9.5 mm。

又根据GB50251-2003中表5.1.3规定，Φ450和Φ500的最小壁厚分别为5.0 mm和6.0 mm，以上计算结果均符合要求。

2.根据站内管线材质常选用要求：DN≥250的钢管主要选用L360、L320两种钢级，DN＜250的钢管采用L320、L245材质。该长输管线的进入站场段管径分别为Φ508和Φ457，均符合DN≥250，查表得L360、L320 材质的钢管许用应力[σ]分别为 152 MPa、145 MPa。

壁厚δ选取公称壁厚9.5 mm。

3 保证油气管道同沟敷设的安全有效性建议

从前面的计算与分析可知，油气管道的设计应执行《输油管道工程设计规范》GB50253和《输气管道工程设计规范》GB50251的要求，在有条件的地段保持合理间距，才能既符合规范要求，也不会被施工顺序的先后影响。若两条管道受地形、地物以及已建的建构筑物等限制，如果能以强度为安全理念设计，按规范采取更为可靠的增加管道管壁厚度等措施后同沟敷设[5]，也能满足安全要求。

同沟敷设的油气管道应保持一个保障焊接、吊装、下沟等作业的最小距离。《输油管道工程设计规范》GB50253第4.1.9条规定，同沟敷设最小净距不应小于0.5 m。同时为考虑安全裕量，应提高一个地区等级的设计系数计算管壁厚度，选择与确定管道的管壁厚度时，还要对各种载荷条件进行校核，并优选壁厚；控制制造与施工质量。如果钢管在制造过程中严把质量关，减少甚至消除缺陷，达到钢管技术条件要求，那么管道发生断裂的可能性就会变得很小，如果施工把好防腐关与组对焊接关，管道发生腐蚀穿孔或应力腐蚀开裂的可能性也会变小。

同沟敷设的油气管道竣工投产运行后，应加强管理监测，防止管道的覆盖层、水工水土保护措施遭受破坏投产时而发生安全事故。总之，通过增加管道管壁厚度等一些安全措施，本文认为油气管道同沟敷设在安全上是可行的。

[1]中国石油天然气集团公司.GB50253-2003输油管道工程设计规范[S].北京:中国计划出版社,2007.

[2]油气田及管道建设设计专业标准化委员会.GB50251-2003输气管道工程设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.

[3]中国石油天然气集团公司.GB50423-2007油气输送管道穿越工程设计规范[S].北京:中国计划出版社,2008.

[4]解立功,张怀法,武惠永,等.油气管道同沟敷设应注意的问题[J].油气储运,2010,29(5):369-370.

[5]中国石油天然气公司.GB50369-2006油气长输管道工程施工与验收规范.北京:中国计划出版社,2006.