输气管道调压系统压力参数设置探讨

李广群 孙立刚 李佳

中国石油管道局工程有限公司设计分公司

近年来，随着天然气应用的普及和推广，天然气管道在我国快速发展，长输天然气管道总里程已经超过7×104km，输气首站和分输站是天然气管道建设中的重要组成部分，调压系统是输气首站和分输站的关键工艺设施，是确保输气干线和分输支线安全、平稳、连续运行的重要保证。调压系统在工艺所需的安全范围之内，能够确保管道下游不超过允许的最大操作压力，调压系统的压力参数设置方案直接影响输气干线和分输支线管道的压力等级选取和管径设计的合理性，影响管道的投资和管道输送能力的充分发挥。因此明确调压系统的具体压力参数设置方案是十分必要的。

1 国内外现状

目前国内长输天然气管道设计的主要规范依据为GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》[1]，根据GB 50251—2015中的8.4.3款的要求，当压力控制系统出现故障危及下游供气设施安全时，应设置可靠的压力安全装置。

压力安全装置的设计应符合下列规定：

（1）当上游最大操作压力大于下游最大操作压力时，气体调节系统应设置单个的（第一级）压力安全设备。

（2）当上游最大操作压力大于下游最大操作压力1.6 MPa以上，以及上游最大操作压力大于下游管道和设备强度试验压力时，单个（第一级）压力安全设备还应加上第2个安全设备。此时可选择下列措施之一：①每一回路串联安装2台安全截断设备，安全截断设备应具备快速关闭能力并提供可靠截断密封；②每一回路安装1台安全截断设备和1台附加的压力调节控制设备；③每一回路安装1台安全截断设备和1台最大流量安全泄放设备。

根据目前国内干线和支线输气管道的设计压力等级划分，一般干线压力等级为12或10 MPa，支线压力等级为6.3或4 MPa，长输管道站场压力安全装置一般都采用“紧急切断阀+2台调压阀”的设置方式，为了能够控制分输支线的最大分输流量，2台调压阀多采用“1台电动调压阀+1台自力式调压阀”的设置方式。这种设置方式既能够有效防止支线分输超量使干线能正常输送，也具有限流的功能，目前已成为国内输气管道普遍采用的分输站调压系统设置方式。

根据规范的要求，调压装置的设置方式基本明确，关于安全切断阀和2台调压阀的具体压力设置值规范没有给出明确的要求。同样是设计压力为6.3 MPa的管道，不同工程由于上游分输站的调压系统压力设定值不同，导致其最大工作压力大小不一，设定值较小的管道，极大地限制了下游输气管道的输送能力，是资源的巨大浪费。表1汇总了目前国内已建几条设计压力6.3 MPa的支线管道其上游分输站调压系统压力设定值。

在石油和化工工程设计工作手册第五册《输气管道工程设计》[2]中给出了参考依据，即欧洲标准EN 12816—2014《Gas infrastructure—Gas pressure regulating stations for transmission and distribution—Functional requirements》[3]，其中要求 “紧急切断阀、监控调压阀压力监测点均独立设在工作调压阀下游压力检测点的同一位置，紧急切断阀、监控调压阀、工作调压阀的压力设定值关系为：紧急切断阀>监控调压阀>工作调压阀”。在EN 12816—2014标准中，给出了不同最大操作压力(M OP)条件下，工作调压阀、监控调压阀、紧急切断阀的压力高限设定值（表2）。

表1 已建6.3 MPa管道上游分输站调压系统压力设定值Tab.1 Pressure set value of pressure regulation system in pstream distribution station ofexisting 6.3 MPapressurepipeline MPa

表2 在EN 12816—2014标准中调压阀和紧急切断阀的压力高限设定值Tab.2 Pressure upper limit set value of pressure regulating valve and emergency shutdown valve in Standard DN12816—2014 MPa

这样依据EN 12816—2014的规定，可以很容易确定调压系统各个环节压力参数设定值。如果我们也采用EN 12816—2014的设定值则需要给出充分的论证依据。

分输站压力控制系统首先应该保证下游分输支线管道的安全，其次要为下游管道提供适用的供气压力。EN 12816—2014是专门针对燃气输配系统调压站设计的专用标准，和其配套使用的线路设计标准为 ISO 13623—2007[4]，根据 EN 12816—2014的要求设计和设置的调压系统能够保证按照ISO13623—2007设计的管道的安全。国内输气管道采用的设计规范是GB 50251—2015，GB 50251—2015在管道线路设计上的部分要求参考了美国API标准ASME B31.8—2014的规定[5]，尤其是在线路地区等级划分、管道设计系数的选取和钢管壁厚计算公式等相关的部分，设计要求基本是相同的[6-7]。

因此采用类比推理的方法，对比ISO 13623—2007与GB 50251—2015两类规范关于管道安全的“线路地区等级的划分、管道强度设计系数的选取、管道壁厚计算公式、管道强度试验压力”等相关内容的差异，推断出依据GB 50251—2015设计的调压站可以采用EN 12816—2014的调压系统压力参数设定值。

2 两种标准类比推理分析

2.1 线路地区等级的划分

ISO 13623—2007在标准的附录B中对于输送天然气和液化天然气类流体的陆上管道公共安全进行了补充要求，其中包括对于地区等级的划分，附录B中对于管道沿线地区等级的划分基准明确了与人口密度和人员的集中度有关；以管道中心两侧各200 m，任意划分长度为1.5 km的区段，并以每平方公里的人口数量为界限划分了不同的地区类别，共划分了5个地区类别。

GB 50251—2015在第4.2章中对于输气管道线路地区等级的划分进行了明确规定，以居民户数和建筑物的数量作为管道沿线地区等级的划分基准，以管道中心两侧各200 m，任意划分长度为2 km的区段，并以居民户数数量以及建筑等级为界限划分了不同的地区类别，共划分了四级地区类别。两种标准地区等级划分以及对比见表3。

两种标准关于地区等级划分的标准基本一致，只是在地区划分的居民户数和人数上有所区别。以二级（3类）地区为例，ISO 13623—2007的规定是50～250 人/km2，GB 50251—2015 的规定是 15～100户/km2，两个标准要求基本相当，ISO 13623—2007比GB 50251—2015要求稍微严格一些。

2.2 管道强度设计系数的选取

对于输气管道而言，输气线路地区等级确定后，管道强度设计系数的确定是关系到不同地区等级安全类别的关键因素[8-10]，从表4两种标准强度设计系数对比可以看出，同级地区的强度设计系数GB 50251—2015比ISO 13623—2007的数值要小，也就是说同地区等级，GB 50251—2015比ISO 13623—2007更安全。

表4 强度设计系数对比Tab.4 Comparison of strength design coefficient

2.3 管道壁厚计算公式

2.3.1 ISO 13623—2007标准的计算公式

在ISO 13623—2007标准第6.4章节中明确了流体管道的环向应力计算公式，该公式考虑了管道外部的静水压力，不考虑埋地管道土压力的影响，该公式为

式中： σhp为管道环向应力，MPa； pid为设计压力，MPa； pOD为管道外部最小静水压力（不考虑埋地管道的土压力），MPa； DO为管道外径，mm；tmin为管道最小壁厚，mm。

管道环向应力与钢管材质最小屈服强度的关系[11-13]为

表3 地区等级划分对比Tab.3 Comparison of location classification

式中：Fh为地区等级强度设计系数；σb为钢管标准最小屈服强度，MPa。

整合公式（1）和公式（2）得出

如果忽略管道外部静水压力的影响，则公式（3）可以简化为

在ISO 13623—2007标准中简化环向应力计算公式（4），可以推出直管段最小壁厚计算公式为

2.3.2 GB 50251—2015标准的计算公式

在GB 50251—2015标准中直接给出了输气管道直管段壁厚计算公式

式中： δ为钢管设计壁厚，mm； p为设计压力，MPa；D为钢管外径，mm； σs为钢管的最小屈服强度，MPa；φ为钢管焊缝系数，取1.0；F为强度设计系数；t为温度折减系数，当温度小于120℃，t值应取1.0。

如果忽略温度折减和焊缝系数的影响，GB 50251—2015标准中直管段壁厚计算公式简化为

2.3.3 壁厚计算对比

管道钢材采用X70（L485）材质，以设计压力10 MPa、管径D=1 016 mm为例计算两种标准下不同地区类别的实际直管段壁厚，计算结果见表5。从壁厚计算对比可以看出，在相同设计压力、同管径、同材质的情况下，由GB 50251—2015标准计算出的壁厚要比由ISO 13623—2007标准计算出的直管段壁厚数值更大，也就是说GB 50251—2015更趋于安全。

表5 设计压力为10 MPa、管径为1 016 mm在不同地区等级时两种标准的管道壁厚计算对比Tab.5 Calculation and comparison of wall thickness of two kinds of standard in different location classification when design pressure is 10 MPa and pipe diameter is 1 016 mm mm

2.4 管道强度试验压力

管道强度试验压力是验证和衡量管道强度性能的重要指标，表6列出了ISO 13623—2007与GB 50251—2015两种标准中的管道强度试验压力的取值，在ISO 13623—2007中最大操作压力表示为MOP，在GB 50251—2015中设计压力表示为DP。从表6的对比中可以看出，由于MOP≤DP，因此在一级和二级地区GB 50251—2015与ISO 13623—2007的强度试验压力基本一致，在三级和四级地区GB 50251—2015要比 ISO 13623—2007的4类和5类强度试验压力高，也就是说GB 50251—2015更趋于安全。

表6 两种标准管道强度试验压力对比Tab.6 Comparison of strength test pressure of two kinds of standard MPa

2.5 对比分析

通过对GB 50251—2015和ISO 13623—2007两个标准的地区等级的划分、管道强度设计系数的选取、管道壁厚计算公式、管道强度试验压力等4个方面的分析可知，GB 50251—2015与ISO 13623—2007在地区等级划分上基本一致，在强度设计系数选取、管道壁厚计算和强度试验压力方面GB 50251—2015比ISO 13623—2007要求更严、更安全。因此可以类推出能适用于ISO 13623—2007线路设计的站场调压系统压力参数设置模式，应用于GB 50251—2015设计的管道是完全可行的。考虑到长输天然气管道设计压力一般不会低于4 MPa，因此不再探讨低于4 MPa的管道调压系统压力参数设定值，参考表2中的设定值可以得出工作调压阀、监控调压阀、紧急切断阀的设定值高限：工作调压阀设定值 ≤1.025MOP、监控调压阀设定值≤1.1MOP、紧急切断阀设定值 ≤1.15MOP。

在EN 12816—2014标准中还明确“当MOP小于设计压力DP时，可以以设计压力DP替代MOP为基准确定压力设定值”，鉴于国内习惯使用设计压力因素，因此工作调压阀、监控调压阀和紧急切断阀的设定值高限可以转换为：工作调压阀设定值≤1.025DP、监控调压阀设定值 ≤1.1DP、紧急切断阀设定值 ≤1.15DP。由此可以计算出各常用设计压力等级时，调压阀、紧急切断阀的设定值高限（表7）。

表7 采用常用设计压力时调压阀、紧急切断阀的设定值Tab.7 Set value of pressure regulating valve and emergency shutdown valve in commonly used design pressure MPa

出于安全的考虑，由于国内还没有相关标准的规定，依据ASME B31.8—2014的要求“当管道内压引起的管道环向应力低于管道钢材最小屈服强度的72%时，管道的最大允许工作压力可以提高10%”，这样可以将监控调压阀和紧急切断阀设定值下调，调整为1.05倍和1.1倍的DP，将工作调压阀的设定值调整为1.0DP。优化后工作调压阀、监控调压阀、紧急切断阀的设定值为：工作调压阀设定值≤DP，监控调压阀设定值 ≤1.05DP，紧急切断阀设定值 ≤1.1DP。经优化后常用设计压力等级条件下调压阀、紧急切断阀的设定值高限见表8。鉴于目前油气管道通常应用的压力变送器均采用0.075级，测量偏差为±0.075%，误差很小，因此由于测量引起的压力正偏差可以忽略不计。

表8 优化后调压阀、紧急切断阀的设定值Tab.8 Set value of pressure regulating valve and emergency shutdown valve after optimization MPa

另外，在ASME B31.8—2014中还给出了管道安全边际的要求，即“管道内压引起的环向应力不能超过钢材最小屈服强度的75%”，由于GB 50251—2015对管道线路设计的要求大部分参考了美国API标准ASME B31.8—2014的内容，因此可以引用此条款作为GB 50251—2015核定调压站压力设定的安全边际，主要是核算管道线路一级地区，在管道内压作用下（最大1.1MOP）管道任何位置的环向应力均不应超过钢材最小屈服强度的75%，如果超过了就要考虑提高该段管道的设计系数（换管）或降低该段管道的最大操作压力，使之满足不超过钢材最小屈服强度75%的要求。

3 结论

（1）依据GB 50251—2015设计的长输天然气管道，其上游首站或分输站的压力调节系统压力参数设定值可以按照：工作调压阀设定值≤分输站下游管道系统的设计压力DP、监控调压阀设定值≤1.05DP、紧急切断阀设定值 ≤1.1DP的原则进行压力参数设置，但需保证紧急切断阀设定值>监控调压阀设定值>工作调压阀设定值。

（2）应确保在管道内压作用下（最大1.1 MOP）管道沿线任何位置的管道环向应力不应超过管道钢材最小屈服强度的75%。

（3）按上述原则设置的首站或分输站的调压系统既能充分发挥和利用下游管道的设计压力潜能，提供最大的供气压力，从而选取合适的管径，降低工程投资，同时又可确保管道安全、平稳、可靠地运行。

（4）分输站压力调节系统的压力设置也适用于管道压气站的出站压力的设置，设计压力为10 MPa的多压气站输气管道，完全可以在10 MPa最大工作压力下平稳运行。上述分析的管道为新建管道工程，对于运行一定周期的管道，应进行管道内腐蚀检测和评价，先确定最大工作压力后再确定相应的设定参数。