中国和俄罗斯管道壁厚计算方法差异研究

1中国石油长庆油田分公司第十一采油厂

2中国石油新疆油田分公司实验检测研究院

3中国石油工程建设有限公司西南分公司

4中国石油天然气股份有限公司华北油田分公司第四采油厂

“十三五”期间我国长输管道实现跨越式发展，建立了西北、东北、西南和海上四大油气战略通道[1]。中亚和俄罗斯是中国石油海外投资合作重点地区，建设运营了中亚天然气管道A、B、C线和中哈原油管道，以及中俄原油管道一线、二线，中亚D线和中俄天然气管道正在建设中[2]。中亚国家在用标准多为所属国、俄罗斯和中国标准的集合，中俄标准性质、层级不一致，标准技术水平也存在差异，可能导致管道建设周期变长，或者管道投资成本增加[3]。因此，应针对中国和俄罗斯管道设计标准进行对比分析[4]。本文研究了中俄管道设计标准在壁厚计算方法上的重要差异，阐述了俄罗斯基于管道抗拉强度计算壁厚的设计理念。结合典型管道设计示例，按照中俄管道设计标准给出了壁厚计算值。针对不同钢级，提出了管道壁厚设计方法选择建议。研究成果可为我国中亚新建管道的设计提供参考。

1 中国管道设计标准

1.1 GB 50251—2015

中国国家标准GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》规定输气管道直管段管壁厚度按照式（1）计算。

式中：δ为钢管计算壁厚，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为焊缝系数，钢管如符合国家标准GB/T 9711—2017《石油天然气工业 管道输送系统用钢管》中的PSL2级，焊缝系数取1.0；F为强度设计系数，输气管道一级一类、一级二类、二级、三级、四级地区强度设计系数分别取0.8、0.72、0.6、0.5、0.4；t为温度折减系数，当温度小于120 ℃时，取1.0。

1.2 GB 50253—2014

中国国家标准GB 50253—2014《输油管道工程设计规范》规定输油管道直管段的钢管管壁厚度应按式（2）和式（3）计算。

式中：δ为直管段钢管计算壁厚，mm；[σ]为钢管许用应力，MPa；k为设计系数，输油站外原油管道一般地段取0.72。

中国管道设计标准中输油管道和输气管道壁厚设计公式基本相同，差异在于输气管道的强度设计系数按照地区等级取不同的值，输油管道的强度设计系数为定值；输气管道考虑了温度折减系数，当温度小于120 ℃时，取值1.0。在管道运行温度范围内，温度折减系数对壁厚计算无影响[5]。

2 俄罗斯管道设计标准

2.1 SNIP 2.05.06-85—1997

俄罗斯标准SNIP 2.05.06-85—1997《干线管道设计规范》规定管道壁厚按照式（4）计算，如存在纵向和周向压缩应力，管道壁厚按照式（5）计算。

式中：δ为管道壁厚，mm；n为载荷（管道内压力）可靠性系数，取值1.1；R1为计算抗拉强度，MPa；m为管道工作条件系数，管段等级为B、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ时，管道工作条件系数分别取0.6、0.75、0.75、0.9、0.9；kL为钢管材料可靠性系数，根据钢管特性取值1.34、1.4、1.47、1.55；kH为钢管用途可靠性系数，一般取值1；为标准抗拉强度，MPa；φ1为考虑管子双轴受力状态系数；σN为纵向轴向压缩用力，由计算载荷和作用力确定，MPa。

2.2 ГОСТР 55989—2014

俄罗斯标准ГОСТР 55989—2014 《压力10 MPa以上干线输气管道设计标准：基本要求》规定管道设计壁厚的计算公式为

式中：δ为管道设计壁厚，mm；δt、δy为根据抗拉强度极限和屈服强度极限确定的管道壁厚，mm；Rt、Ry为计算抗拉强度和计算屈服强度，MPa；mt、my为计算抗拉强度和计算屈服强度的管道工作条件系数，管段类型为H、C、B的mt和my分 别 为0.88和0.91、0.74和0.76、0.59和0.63，普通直管段类型为H；kt、ky为计算抗拉强度和计算屈服强度时的钢管材料可靠性系数，根据高等级管线钢管制造工艺，kt取值1.34，ky取值1.15；kn为钢管材料可靠性责任系数，取值1.1；σt、σy为钢管抗拉强度极限值和屈服强度极限值，MPa。

3 计算示例

3.1 钢管等级X65钢级

中国在哈萨克斯坦西部建设的某输气管道，地区等级为一级，管材采用X65钢级，管径1 016 mm，设计压力6.4 MPa，标准抗拉强度531 MPa，钢管的最小屈服强度448 MPa，按照中国标准GB 50251—2015和俄罗斯标准SNIP 2.05.06-85—1997计算的壁厚值分别为10.08 mm和11.75 mm。

3.2 钢管等级X80钢级

中俄东线天然气管道，地区等级为一级，管材采用X80钢级，管径1 422 mm，设计压力12 MPa，标准抗拉强度625 MPa，钢管的最小屈服强度555 MPa。按照中国标准GB 50251—2015和俄罗斯标准ГОСТР 55989—2014计算的壁厚值分别为21.35 mm和25.15 mm，俄罗斯管道设计标准基于屈服强度计算的壁厚值为23.51 mm。可以看出，俄罗斯管道设计标准的壁厚计算值较大，俄罗斯管道设计标准相对偏于保守；随着管道的设计压力由6.4 MPa提高到12 MPa，钢管等级由X65提高到X80，中俄管道设计标准的壁厚计算值差值由1.67 mm增加至3.8 mm。

4 管道壁厚计算方法差异

4.1 设计理念

我国管道设计标准针对管道沿线人口密度划分为四个地区等级，采用不同的强度设计系数，即根据管材屈服强度确定壁厚。我国管道壁厚计算方法考虑了强度设计系数、焊缝系数和温度折减系数[6]。

由于地广人稀，俄罗斯管道设计标准未考虑管道沿线人口分布情况，基于可靠性理念，综合考虑压力载荷、管材特性、管段性质、环境和制管工艺施工等，根据管材抗拉强度确定壁厚[7]。俄罗斯管道壁厚计算方法涵盖的因素更为全面，例如载荷可靠性系数、管道工作条件系数、管段性质等级、钢管材料可靠性系数等。

俄罗斯管道设计标准壁厚计算的理论基础是基于管材抗拉强度，中国管道设计标准壁厚计算的理论基础是基于钢管最小屈服强度。根据材料力学性能可知，抗拉强度大于最小屈服强度[8]，API Spec5L—2012《管线钢管规范》规定的PSL1等级X65钢管的标准抗拉强度为535 MPa，最小屈服强度为450 MPa；X70钢管的标准抗拉强度为570 MPa，最小屈服强度为485 MPa，这是俄罗斯管道设计标准壁厚计算值较大的根本原因。

4.2 适用范围

俄罗斯标准SNIP 2.05.06-85—1997规定适用于公称直径小于1 400 mm、设计压力在1.2～10 MPa的干线管道。俄罗斯标准ГОСТР 55989—2014适用于管径小于1 400 mm、输送压力为10～25 MPa的管道。

GB 50251—2015未明确规定适用管径及压力等级范围，在条文说明中指出中国石油于2013年在西气东输三线管道西段建设了管径1 219 mm、设计压力12 MPa、X80钢级、管段长度300 km、设计系数0.8的试验管段，为本规范修订提供了理论和实践依据。我国西气东输二线已采用X80钢级，但不处于高寒地区。中俄东线管径1 422 mm、运行压力12 MPa、X80钢级，主要敷设于高寒冻土区。我国在高寒冻土区的管道施工技术和焊接质量还需提高，缺少极端气候条件下的管道运行数据[9]。因此，应研究适用于高寒地区以及大口径、高压力、高钢级的管道壁厚计算方法[10]。

5 管道壁厚计算方法选择

5.1 高钢级

中亚、中俄油气管道属于大口径、高压力、高钢级管道，特点是管线钢管随着等级提高屈服强度与抗拉强度的比值（屈强比）增大[11]。屈强比越低，管材从初始塑性变形到最后断裂的形变容量越大，可有效缓解因过载而产生的应力集中；但屈强比过低，会造成管材强度损失，导致壁厚过大。屈强比越高，从初始塑性变形到最后断裂的形变容量越小，因此，随着管线钢管等级提高，管道安全裕量减小。有学者认为X65以上高等级钢管或者高寒地区管道应采用极限载荷设计方法、可靠性设计方法等新的设计准则，以保证管道安全运行[12]。

以中俄东线天然气管道一级地区为例，管径1 422 mm，设计压力12 MPa，采用不同等级的管线钢管，按照俄罗斯标准ГОСТР 55989—2014，分别基于管材抗拉强度和屈服强度计算壁厚值（图1）。

可以看出，管线钢管等级高于X65，按照抗拉强度计算的壁厚值将会大于按照屈服强度计算的壁厚值。俄罗斯标准ГОСТР 55989—2014采用了抗拉极限设计准则，其设计理念反映了高钢级钢管材料特性的变化，即随着钢管等级提高，材料屈强比增加，管材从发生屈服到断裂的裕量变小。从管道安全运行角度考虑，管线钢管等级高于X65，应按照俄罗斯标准ГОСТР 55989—2014进行管道壁厚设计计算。如按照中国标准GB 50251—2015进行管道壁厚设计计算，应有充分数据证明其可靠性，否则管道壁厚设计应考虑一定的安全裕量。

图1 按照俄罗斯标准针对不同钢管等级抗拉强度和屈服强度的壁厚计算值Fig.1 Wall thickness calculation value of different steel pipe grades according to tensile strength and yield strength in Russian standard

5.2 普通钢级

以中俄东线天然气管道一级地区为例，管径1 422 mm，设计压力12 MPa，采用不同等级的管线钢管，按照中国标准GB 50251—2015、俄罗斯标准ГОСТР 55989—2014以及俄罗斯标准ГОСТР 55989—2014基于管材抗拉强度计算壁厚值（图2）。可以看出，俄罗斯管道设计标准的壁厚计算值较大，钢管等级由X42提高到X80，中俄管道设计标准的壁厚计算值差值最小值为2.89 mm，最大值为4.13 mm，该差值范围可作为管线钢管等级高于X65时，按照中国标准GB 50251—2015进行管道壁厚设计的安全裕量。

管线钢管等级低于X65，从节省管道成本角度考虑，应首选按照中国标准进行管道壁厚设计，采用俄罗斯标准偏于保守。如中亚国家不能执行中国标准，在与外方商讨、谈判管道设计所依据标准时，可采用俄罗斯标准基于抗拉强度进行管道壁厚设计，将此作为一种折中或者备选的方案，尽可能地为我国争取经济利益。

图2 中国标准和俄罗斯标准针对不同钢管等级的壁厚计算值Fig.2 Wall thickness calculation values of different steel pipe grades in Chinese and Russian standards

6 结论

（1）中国和俄罗斯管道设计标准理念不同，中国标准考虑管道沿线人口密度，采用不同强度设计系数，根据管材屈服强度确定壁厚。俄罗斯标准未考虑管道沿线人口分布情况，基于可靠性理念，综合考虑压力载荷、管材特性、管段性质、环境和制管工艺施工等，根据管材抗拉强度确定壁厚。

（2）中国和俄罗斯管道壁厚计算方法不同，我国管道壁厚计算方法考虑了强度设计系数、焊缝系数和温度折减系数。俄罗斯管道壁厚计算方法涵盖的因素更为全面，如载荷可靠性系数、管道工作条件系数、管段性质等级、钢管材料可靠性系数等。

（3）俄罗斯管道设计标准的壁厚计算值较大，以输气管道为例，设计压力6.4 MPa、管径1 016 mm、管材X65，中俄管道设计标准的壁厚计算值分别为10.08 mm和11.75 mm；设计压力12MPa、管径1 422 mm、管材X80，中俄管道设计标准的壁厚计算值分别为21.35 mm和25.15 mm，中俄管道设计标准的壁厚计算值差值由1.67 mm增加至3.8 mm。

（4）俄罗斯管道设计标准基于管材抗拉强度的理念，能够反映X65及以上高钢级钢管材料特性的变化；中国管道设计标准则未明确规定适用的管道直径、压力、钢管等级，具有一定技术局限性。

（5）管线钢管等级高于X65，从管道安全运行角度考虑，应按照俄罗斯标准进行管道壁厚设计计算，如采用中国标准应考虑安全裕量；管线钢管低于X65，从节省管道成本角度考虑，应按照中国标准进行管道壁厚设计，如不能执行中国标准，可采用俄罗斯标准基于抗拉强度进行管道壁厚设计。