Saudi Aramco及ADNOC埋地管道壁厚计算设计实践及探讨

程浩力，徐学敏，张连来，王杰，马晓天，蔡峰峰，孙学艺

（中国石油工程建设有限公司北京设计分公司，北京 100085）

20 世纪30 年代，以石油七姐妹为主的SHELL、BP、MOBIL、EXXON、CASOC 等欧美超级石油巨头在阿拉伯半岛开启了自己近半个世纪的黄金时代。Saudi Aramco 和ADNOC 即创立于这些石油工业鼻祖之手[1-2]。至1973 年第四次中东战争前后，沙特及阿联酋逐步对其两家石油公司开展了国有化，与中东、非洲及南美很多国家国有化运动中政府直接宣告法令进而逼走国外投资者不同，阿联酋及沙特政府则是通过逐步“赎买”温和完成了国有化，欧美石油巨头的成熟的管理及技术理念得以完全保留。Saudi Aramco 和ADNOC 公司分别代表各自国家，作为国家石油公司管理其境内石油天然气资源，而西方石油巨头则作为小股东或经理人团队，提供技术资金及人力资源培训，继续对生产、技术等进行管理。

自2008 年起，中国石油在中东地区从战后的伊拉克起步，在鲁迈拉、哈法亚等项目上同西方石油巨头成功合作，全面大幅提高了自身的国际化能力及技术、管理水平，也逐渐获得了阿拉伯半岛Saudi Aramco 和ADNOC 两大石油巨头的垂青，自2008 年起，中石油旗下管道局和工程建设公司持续承担了沙特阿美拉斯坦努拉项目/哈拉德天然气管道项目/重油管道项目、阿布扎比原油管线项目/阿萨布油田项目/曼德油田项目/巴布油田项目等大型项目，在中东阿联酋及沙特市场站稳了脚跟。ADNOC 及沙特阿美企业标准完全依托于其创建者西方石油巨头成熟完善的体系，在其境内开展工程建设，必须首先满足其规范的关于设计、施工、安全、环境、运营维护的严格要求执行。沙特和阿联酋近年来以中国石油为主的中国能源企业在“一带一路”倡议的推动下，同沙特及阿联酋的油气合作硕果累累，不断获得开发权益及中标油气田总包项目，根据2020 年6 月17 日发布的《BP 世界能源统计年鉴（2020）》[3]，中国为沙特最大原油购买国，为阿联酋第三原油购买国。工程设计作为油气开发的前端龙头，有着极为重要的作用，因此鉴于中国同沙特及阿联酋能源合作的前景，结合沙特Saudi Aramco 和阿联酋ADNOC 两大国家石油公司标准规范及其一些项目的设计实践，阐述Saudi Aramco 和ADNOC 项目对油气管道壁厚计算、应力校核等要求及所需要考虑的问题，以期为今后类似项目提供一定的借鉴和指导。

1 管道壁厚计算

1.1 壁厚计算理论

作为管道设计的最基本要素，管道壁厚的确认及应力校核是管道线路各类设计文件中最重要的环节，针对管道壁厚的计算，众多学者也对包括中俄标准差异性等做了一定的研究[4-7]。Saudi Aramco 的SAESL-410 和ADNOC Onshore 的ES 30.99.12.0032 主要以美国ASME B31.4 Pipeline Transportation Systems for Liquids and Slurries/ASME B31.8 Gas Transmission and Distribution Piping Systems 的理论为主，并辅以ISO 13623 Petroleum and Natural Gas Industries - Pipeline Transportation Systems 及Shell DEP 31.40.00.10 Pipeline Engineering 的部分要求作为补充。ASME B31.4 和ASME B31.8 管道壁厚计算值是基于地区等级、设计内压力、管道材质等基础上由管道环向应力得出。

对于适用于ASME B31.4 的液体管道，管道壁厚由403.2 节的公式得到：

对于适用于ASME B31.8 的气体管道，管道壁厚由841.1.1 节的公式得到，

式中t——管道计算壁，mm；

P——管道设计内压力，MPa；

D——管道公称外径，mm；

S——钢管屈曲强度，MPa；

E—— 纵 向 焊 缝 系 数（ASME B31.4 表403.2.1-1，ASME B31.8 表841.1.7-1）；

F——环向应力设计系数；

T—— 温 度 折 减 系 数（ASME B31.8 表841.1.7-1）。

通常情况下，管道壁厚还应满足寿命周期需要的腐蚀裕量，即：

式中A——腐蚀裕量，mm；

tn——管道公称壁厚，mm。

钢管的初步所选壁厚在ASME B36.10M Welded and Seamless Wrought Steel Pipe 中选取，设计人员应避免过度保守，一般选取满足tn要求的最接近的经济壁厚。在某些情况下，当tn值和ASME B36.10M中接近的厚度值之间的差值很小时，则需要选择下一标号的壁厚。

除此之外，由于较大的管道径厚比D/t、较薄的壁厚、较低的屈服强度等因素会使得钢管对扁平度、椭圆度、屈曲和凹陷更加敏感，钢管现场吊装、转运、布管等过程中易发生管子的端口圆度变化，不利于保证施工质量。因此，ASME B31.4 的403.2.5 规定，式（1）、（2）适用的管道径厚比D/t不宜大于100（适用于ASME B31.8），而ADNOC 的设计规范则规定公式适用的D/t应小于96（Shell DEP 31.40.00.10 第6.4.1.1 条）。

上述管道壁厚结果仅适用于直管壁厚，针对冷弯曲和热煨弯管，需要根据本文第5 部分进一步确认适用的壁厚。需要注意的是，上文根据ASME B36.10M 选择的标准壁厚，需要另外满足轴向应力、组合应力以及安装时的弹性弯曲等要求，因此壁厚是否满足设计要求，仍需要进一步核算。

1.2 最小壁厚要求

由于较小的壁厚不利于生产且导致径厚比D/t比过高，造成管道施工过程中圆截面的失稳变形。大多数规范都对径厚比D/t比及管道最小壁厚提出要求。GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》第5.1.3条规定，输气管道的最小管壁厚度不应小于4.5 mm。

ADNOC Onshore 的ES 30.99.12.0032 的 第8.2条最小公称壁厚不得低于4.8 mm（取自壳牌DEP 31.40.00.10 第6.4.1.1 条）。

Saudi Aramco 的SAES-L-410 第11.3 条做出了更细的规定，要求对于碳钢管道，最小公称壁厚不得小于表1 所列的值。

表1 钢管最小允许壁厚Table 1 Minimum allowable wall thickness of steel pipe

2 轴向应力校核

管道的应力分析是用于进一步校核验证管道壁厚是否满足的手段，国外油气田管道工程项目中对大口径、高温、高压的油气管道（主要是温度压力较高的油气集输管道及大口径外输及集输干线）常会采用CAESAR Ⅱ进行分析，并编制独立的设计文件《PIPELINE STRESS ANALYSIS REPORT》。在管道壁厚计算报告中，则需要对所有管道根据规范的公式开展应力校核。针对管道的应力校核及分析，大量学者做过研究和探讨[8-13]。

受限管道（埋地管道）由于热膨胀造成的轴向应力应按照ASME B31.4 的第402.5.1 条以及ASME B31.8 的第833.2 条计算：

式中E——钢管在环境温度下的弹性模量，MPa；

α——热膨胀系数，1/℃；

T1——钢管安装、连头或回填时的温度，℃；

T2——最大操作温度（设计温度），℃。

关于T2温度取值问题，虽然ASME B31.4 及ASME B31.8 上对于T2的定义为操作温度/最大操作温 度（Operating Temperature/The Warmest Operating Temperature），但大部分规范名没有明确规定最大操作温度和设计温度之间的差值，以TOTAL（道达尔）、PETRONAS（马来西亚国家石油公司）、ADNOC（阿布扎比国家石油公司）、KOC（科威特石油公司）等为代表的石油公司及下属设计部门和以Fluor、WorleyParsons、Techinip 等为代表的设计公司均采用设计温度进行计算。由于设计参数对管道壁厚及施工成本有着直接的影响，因此工艺专业在根据操作参数确定设计参数不宜取值太高，Saudi Aramco 的SAESL-410 规范也多次明确指出这方面的要求。

由于温度增加、流体压力、弯矩和轴向载荷的综合影响，在完全约束条件下（埋地管道）的轴向应力是根据ASME B31.4 第402.6.1 条或ASME B31.8第833.3 条计算。

对于适用于ASME B31.4 的液体管道，轴向应力为：

对于适用于ASME B31.8 的气体管道，轴向应力为：

式中SL——管道的轴向应力，MPa；

SP—— 内压引起的管道轴向应力，SP= 0.3SH，MPa；

ST——热膨胀引起的管道轴向应力，MPa；

SX—— 除热膨胀和内压力外，其他轴向载荷而产生的应力，SX=F/A，MPa；

SB—— 重力或其他外部载荷引起的弯曲应力，SB=M/Z，MPa。

ASME B31.4 和ASME B31.8 具 有 同 源 性，因此式（6）和式（7）本质上并无区别。根据ASME B31.8 的第833.3（b），轴向应力应满足以下条件：

式中S——钢管的屈服强度，MPa；

T—— 温度折减系数，121 ℃以下取值为1（ASME B 31.8 表841.1.8-1）。

3 组合应力校核

根据液体的ASME B31.4 第402.7 条和ASME B31.8 的第833.4（a）条，当扭矩可以忽略时，组合应力使用最大剪切应力理论公式（9）或最大变形能理论公式（10）进行计算。

式中Seq——组合应力，MPa。

根据ASME B31.8 的第833.4（b）条，组合应力应满足以下条件：

式中S——钢管的屈服强度，MPa；

T—— 温度折减系数，121 ℃以下取值为1（ASME B 31.8 表841.1.8-1）；

k——取值一般为0.9。

4 最小弹敷曲率半径计算

弹性敷设是油气管道线路涉及及施工中最常用的方式，当平面转角较小和地形起伏不大时，往往优先考虑使用弹性敷设。ADNOC Onshore 的ES 30-99-12-0028 Specification for Underground Pipeline Construction 及ES 30-99-12-0026 Specification for Above ground Pipeline Construction 的第14 章明确规定，管道水平转向和纵向变坡应优先使用弹性敷设。同样GB 50253—2014 输油管道工程设计规范第4.2.2条也做了相应要求。部分学者也针对弹性敷设设计及计算进行了探讨[14-15]。

管道的弹性敷设最小曲率半径是由管道偏离直线所引起的允许永久应力得出的，为的是使管道按照预定路由路线进入管沟而不产生任何塑性变形。弹性弯曲半径的确定基于梁理论“Beams Theory”。如图1 所示，管道视为一条悬臂梁，其末端载荷集中：

图1 梁理论示意图Fig.1 Diagram of beam theory

完全受限管道（埋地管道）的最小允许弹性弯曲半径基于组合应力中可用于弯曲应力的余量确定。本计算忽略了回填土对管道造成的环向外力。

管道的最大轴向应力由式（10）变化得到：

管道的弯曲应力由以下公式得到：

其中，SL根据变形得到：

将由式（13） ～ （15）计算的SBmax代入式（12）就可以得到最小曲率半径。最大剪切应力理论和最大变形能理论都在本计算中得到了应用。最大值即是所选的计算值。

管道最小曲率半径计算是国外油气管道项目设计文件中必备计算要求。在国内外油气管道工程实践中，管道安装时曲率半径一般不宜低于1 000 D（定向钻不宜小于1 500 D 且一般不应小于1 200 D），实际工程中管沟开挖能满足钢管1 500 D 以下的曲率半径比较容易达到（在一两根钢管长度范围内就能完成一个自然的弹性敷设角度）。因此，在设计管道选取壁厚时，争取使得计算壁厚尽量不超过1 000 D（个别情况尽量不超过1 500 D）。

工程实践中，明显影响钢管曲率半径的因素主要有管道壁厚、设计温度以及钢管钢级等设计参数：

（1）当管道壁厚增大时，管道曲率半径也会降低；但是由于管道壁厚增大会带来增加钢管成本的影响且增加对管道隆起屈曲的隐患，因此实际操作中当曲率半径很难满足要求时，往往是采取降低过于保守的设计温度或增加钢级的措施。

（2）较低的设计温度会使得管道曲率半径降低，施工图设计及管道的安装就很容易满足曲率半径要求，因此包括ADNOC 及Saudi Aramco 在内的石油公司规范中，明确要求设计参数不宜过于保守（过度高于操作参数）。

（3）高强度钢级具有较高的屈服强度，会直接降低钢管的曲率半径，且减少壁厚，降低钢管成本、焊条耗材、安装、运输等众多成本，因此ADNOC及Saudi Aramco 大量采用很成熟的X60/X65 等高钢级钢管（以沙特阿美为例，其原油含硫量超过2.2 的原油占已探明储量的53%，含硫超过2.9 的更是占30%，但其旗下项目常采用X60/X65 钢级）。

由于管道敷设过程中无论是水平转向还是管沟沿地面自然起伏，无处不存在弹性敷设，较小的计算曲率半径值可以使得管道在安装过程中在满足弯曲应力的范围内，用很短的距离完成转向或纵向高差调整，从而减少土石方且便于管沟开挖及安装工作。因此，在管道力学计算过程中，一定要注意核算管道曲率半径的问题，避免由于忽视曲率半径而导致管道壁厚或钢级选择不佳，从而导致管道运营过程中产生超额应力，导致焊口应力集中，最终导致加速焊缝失效的安全隐患。

5 弯管减薄计算

热煨和冷弯弯管在弯制工程中会导致壁厚减薄，英国石油协会标准BSI PD 8010-1 Pipeline systems –Part 1： Steel pipelines on land 的公式2 给出了壁厚减薄率的经验公式，ADNOC Onshore 众多项目工程实践中均采用了该标准的规定。

式中n——弯管内弯半径同管道外径的比值。

6 结论

美国石油协会（API）、美国机械工程师协会（ASME）、英国标准协会（BSI）以及国际标准化组织（ISO）等为国际石油工程行业最知名的四个协会，这些协会的创建也有石油工业巨头的贡献，其旗下石油标准规范是国际石油天然气项目中应用最广泛的基础标准。由超级石油巨头创建的Saudi Aramco和ADNOC 则完美继承了这些国际石油标准。管道壁厚计算报告（Pipeline wall thickness calculation report）或管道力学计算报告（Pipeline mechanical design calculation report）作为独立的计算报告是国外油气管道项目设计文件的必备组成，Saudi Aramco 和ADNOC 作为高端市场融入了众多石油巨头的合作，以其针对管道壁厚的计算要求为切入点，得出以下结 论：

（1）管道壁厚计算，不能仅根据环向应力完成简单的计算值。而是要进一步完成管道的轴向应力校核、组合应力校核，并根据弯曲应力计算出弹性敷设曲率半径，使得管道壁厚得到的曲率半径值在合理数值（1 000 D 左右），结合轴向应力、组合应力及曲率半径的要求，来确定所需要选择的管道壁厚。

（2）设计温度、设计压力、钢级等对管道壁厚以及成本有着直接的影响。因此，对于部分设计温度较高的油气田，尽量选择已经非常成熟且在中东普遍使用的X52 乃至X60/X65 钢级，以便达到节省钢材及安装运输成本，且能达到使设计文件应力计算取得较好结果的目的。