宋飞：中国与北美油气管道主要设计标准的几点重要差别_【管道保护】

中国与北美油气管道主要设计标准的几点重要差别宋飞中国石油管道公司GB50253-2014《输油...

中国与北美油气管道主要设计标准

的几点重要差别

宋飞

中国石油管道公司

GB50253-2014《输油管道工程设计规范》和GB50251-2015《输气管道工程设计规范》是目前我国油气管道工程设计的主要技术规范。和旧版本相比， GB50253-2014主要修订了管道与建构筑物的间距、泄压、试压等规定。 GB50251-2015主要修订了强度设计系数、管道与建构筑物的间距、线路截断阀间距、管道线路放空、试压与焊接检验等规定。

GB50253和GB50251在修订过程中，总结了国内近年来油气管道工程实践和经验，并参考了美国机械工程师学会（ ASME）、加拿大标准协会（ CSA）等北美的油气管道标准以及美国联邦法规（ CFR），但比较它们的内容结构与条文规定，仍存在一些重要差别。本文将分析对比它们在地区等级划分、设计系数、线路截断阀间距、管道与周边建构筑物的间距、放空、试压、管输气体加臭等方面存在的差异。本文对比分析的ASME B31.4的版本是2012年版，其他若不加特别说明，均指所述法规、标准的最新版本。

1 地区等级划分

地区等级划分是美国和加拿大主导提出的，主要用于输气管道设计，用来确定管道强度设计系数，是CFR和ASME、 CSA标准早期版本的核心内容，后来高蒸汽压（ HVP）液体（如LPG、液氨）管道也采用了地区等级划分。我国在上世纪70年代参考ASME B31.8引入了地区等级划分，摒弃了原来借鉴苏联采用的输气管道与沿线建构筑物间设置安全距离的做法。地区等级划分是北美与中国输气管道设计的重要基础，体现了输气管道在设计上以强度保安全的核心理念，是与输油管道设计标准的重要区别。在输油管道设计上，中国与北美均采用设置安全防护（缓冲）距离来控制安全。

GB50251-2015与北美输油气管道标准均将管道经过的地区划分为4个地区等级（见表1），但是地区等级的判定不同。首先，在区段划分上，北美的做法均将管道中心线两侧各200m、任意长度为1.6km的范围划分为一个区段，而GB50251对于区段长度扩大至了2km。其次，每个区段内的居民户数也较北美规定宽泛，允许的户数更多。之所以有这些区别， GB50251-2015条文说明指出主要是考虑了我国人口密度大的国情。

另外， GB50251-2015 参考ASME B31.8和CSAZ662将一级地区进一步细分为一级一类和一级二类，而这种划分却始终未被美国联邦法规所采纳。由表1及区段划分的差别可以看出，我国在不同等级地区所允许的居住人口密度远大于北美，基于在输气管道设计的其他方面（如材料、焊接、试压等）及运行维护采取同等技术要求的条件下，我国输气管道的安全保障水平是低于北美的，或者说我国需要承受更大的失效风险。

2 设计系数划分地区等级的目的是区分管道强度设计系数，管道强度设计系数与地区等级配套使用，最早用于输气管道设计，后来也被高蒸汽压液体管道所采用。GB50251-2015规定的强度设计系数主要参考了ASME B31.8，增加了一级一类地区和一级二类地区，引入了0.8的设计系数。但值得注意的是，美国联邦法规 49CFR 192至今未采纳0.8的强度设计系数，允许的最大强度设计系数为0.72。 CSA Z662规定计算管道设计压力的设计系数为F×L，设计系数（ F）取值为0.8， L为地区等级系数，对于非酸性天然气管道，地区等级系数（ L）取值为：一级地区为1、二级地区为0.9、三级地区为0.7、四级地区为0.55。一般地段的输气管道的设计系数规定汇总见表2。由表2看出， CSA Z662的设计系数明显高于其他标准。

另外，对于穿越管段， 49CFR 192 第192.111(d) 条规定：对于一级和二级地区通航水域中的钢管, 设计系数必须等于或小于0.5。我国国家强制标准GB50423-2013《油气输送管道穿越工程设计规范》第3.2.2条对于水域穿越段的强度设计系数规定与美国联邦法规不同，具体为：一级地区小型水域与大中型水域穿越段的设计系数分别为0.72和0.6，二级地区小型水域与大中型水域穿越段的设计系数分别为0.6和0.5。 GB50423未说明穿越水域是否区分通航，只是以穿越长度区分设计系数，设计系数的取值上明显高于美国联邦法规。

对于低蒸汽压（ LVP）液体管道，也使用强度设计系数，但不区分地区等级。 49CFR 195第195.106条规定设计系数为0.72； ASME B31.4第403.2.1条规定设计系数不超过0.72，考虑管道用途和所处位置的不同，可降低设计系数； CSA Z662规定设计系数不超过0.8。新版GB50253第5.2.1条做了修订，增加了“城镇中心区、市郊居住区、商业区、工业区、规划区等人口稠密地区的设计系数应取0.6”的规定。

3 管道与周边建构筑物的间距49CFR 195第195.210条规定管道与两侧民宅、工业建筑或公众聚居区间的距离不应小于15m，但在将管道埋深加深12英寸（ 305mm）的前提下可缩小间距。

GB50253-2014第4.1.6条规定原油、成品油管道与城镇居民点或重要公共建筑的距离不应小于5m，而旧版（ 2003年版）的规定为15m，因受条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规定管道中心线与周边建构筑物的最小间距不应小于5m，与GB50253-2014的规定相同，而旧版（ 2003年版）未做规定。

二者在条文说明里解释说，新版对间距修订的主要依据是《中华人民共和国石油天然气管道保护法》第三十条规定，即：禁止在管道线路中心线两侧各五米范围内进行深根植物种植、取土、采石、挖掘、修建构筑物等危害管道安全的行为。但管道保护法第三十一条又规定，管道线路中心线两侧修建的建构筑物与管道线路和管道附属设施的距离应当符合国家技术规范的强制性要求。《中华人民共和国石油天然气管道保护法释义》对此解释为：第三十条规定管道两侧五米的范围禁止危害管道安全的行为，主要是出于保护管道本体的考虑，避免管道周边的活动误伤损坏管道；对于第三十一条安全距离的规定，则是出于考虑管道破损失效后对于周边居民的影响，需要技术规范给出安全的失效缓冲距离。 GB50253-2014的条文说明中删除了旧版（ 2003年版）中关于适当的距离可以减缓管道失效对于周边居民安全影响的考虑，仅从节约用地和满足施工作业及运行维护的需要考虑，缩小了与周边建构筑物的间距要求。上述修订对于我国油气管道建设和保护将产生深远影响，值得在工程实践和管道运行管理中进行认真总结。

4 线路截断阀间距输气管道设置线路截断阀的目的是便于管道维护修理以及当管道发生破损时，尽可能减少损失和防止事故扩大。对比GB50251-2015与CFR192、ASME B31.8、 CSA Z662发现，我国与北美对输气管道线路截断阀最大间距的要求基本相同，但需要指出的是， GB50251-2015参考CSA Z662规定允许按照地区等级对线路截断阀间距进行调增。线路截断阀最大间距规定汇总对比见表3。 49CFR 192对输气管道截断阀间距要求较为严格。

ASME B31.8和CSA Z662指出：在确定输气管道线路截断阀间距时，可以通过工程评估确定，或者按照其规定的最大允许间距确定。进行工程评估时，主要考虑放空量或漏失量、放空时间、运行连续性、放空对周边的影响等因素。随着输气管道向大口径、高压力的发展，考虑到减少线路截断阀间管段的放空损失量、缩短放空时间、保障下游用气安全等因素，同时具体到我国输气管网末段靠近用气市场的区域用于调峰的储气库规模偏小的现状，建议我国在工程实践中可适当缩小输气管道线路截断阀间距。

对于低蒸汽压液体（如原油、成品油）管道，北美法规和协会标准均未给出具体的线路截断阀间距要求，但给出了设置原则，且均要求在主要河流和饮用水水源地穿越段两侧设置截断阀。其中， 49CRR 195第195.260条指出高水位线大于30m的河流穿越两侧应设置截断阀。

GB50253-2014规定应设置线路截断阀，且4.4.2条规定：原油、成品油管道线路截断阀的间距不宜大于32km。对于环境敏感区域管段，GB50253第4.4.4条规定：埋地输油管道沿线在河流大型穿跨越及饮用水水源保护区两端应设置截断阀。在人口密集区管段或根据地形条件认为需要截断处，宜设置线路截断阀。 GB50423-2013《油气输送管道穿越工程设计规范》规定的大型河流穿越指多年平均水位线大于或等于100m的河流，小型河流穿越指多年平均水位线不大于40m的河流。结合GB50253和GB50423的规定，我国对于河流穿越两侧设置截断阀的要求低于美国联邦法规。

5 放空与泄压 49CFR 192（§192.179 条）和ASME B31.8（ 846.2.1条）、 CSA Z662（ 4.4.10条）均在线路截断阀章节对输气管道的线路放空进行了规定，主要考虑到线路放空的设置与线路截断阀间距、放空的可操作性等有关。三者均规定每个可被线路截断阀隔离的管段应设置放空，放空速度、放空能力满足实际可做到的“尽快完成”。 GB50251参考ASMEB31.8的规定在新版修订了3.4.2条，将原规定的“每个线路截断阀上下游均设置线路放空”修订为“每个管段应设置放空”。对于放空能力、放空速度的规定， GB50251-2015第3.4.9条指出需满足最大放空量的要求。其条文说明给出了中国石油所属输气管道的放空时间一般为10～12h的做法。放空时间长短是放空管设计的重要影响因素，中石油在大型输气管道设计上一般采用10h，给出的说明是“借鉴西气东输一线的做法”。但笔者认为10h的放空时间对于某些大型输气管道来说太长了，因为我国输气管道下游配套的储气能力不足，且下游用气市场在气源和供应通道上也缺乏多元性， 10h的放空时间可能会严重影响供气的稳定性和连续性。有文献（ M.Mohitpour, H.Golshan ,A.Murray,《Pipeline design & construction: a practical approach(third edition)》 ,ASME Press）表明，北美输气管道在管段两端放空同时开启的情况下，放空完成时间一般为30～60分钟。

ASME B31.4和CSA Z662均指出设置泄压是防止输油管道或设备设施超压的一种手段，但未对是否设置泄压做出要求。 49CFR 195也未对是否设置泄压做要求。 GB50253-2003第6.3.2条、 6.4.1条、6.5.1条、 6.10.8条对设置泄压做出了强制规定，而在2015年新版里进行了修改，指出是否设置站场泄压应根据瞬态水力分析结果确定，但保留了减压站须设置站场泄压的要求（ 6.3.11条），这是GB50253-2014修订的一个重大变化。

6 试压

GB50251-2015对输气管道的强度试压规定进行了修订，最低和最大试压压力要求均提高了，修订后在试压介质、最小试压压力方面的规定与ASME B31.8基本一致，但最大试压压力有区别。

GB50251-2015允许的最大试压压力低于ASME B31.8的规定； ASME B31.8对于水作为试压介质时，未规定最大试压压力。试压介质上， CSA Z662对于任何管段均许可采用气体试压，其8.7.2.3条规定了适用条件：当管材符合加拿大国家标准关于切口韧性要求、是新管道且焊缝系数为1、试压时符合一定条件，才允许采用空气或不可燃、无危害气体作试压介质。这些条件包括环境温度过低、符合水质的水量不够、排水不便、管段沿线地形起伏引起水试压分段过多、不允许管段任何点强度试压产生的环向应力超过最低屈服强度的80%等（见表4）。

表中： DP指设计压力， SMYS指管材最小屈服强度， MOP指最大运行压力， NA指不允许， NR指未规定。

注1： GB50251和ASME B31.8不允许使用空气。

注2：除空气外，还允许使用天然气。

注3： GB50251和ASME B31.8规定了在三级、四级地区使用空气作为试压介质的条件，具体见表6。

注4：试压介质为水时， CSA Z662规定允许的最大试压压力为下述两个值的较小者：（ 1）材料最小屈服强度的1.1倍；（ 2）采用压力-体积图法记录试压过程时记录的压力-体积曲线偏离直线0.2%的压力点。

由表4并结合各标准对于设计系数的规定，虽然CSA Z662许可的设计系数高于其他标准，但CSA Z662也规定了更高的试压压力，通过试压这一环节来检验管道的完整性，从而确保安全。

GB50251-2015与ASME B31.8也对三级和四级地区使用空气作为试压介质提出了条件限制，规定“三、四级地区的管道试压时最高环向应力分别小于50%SMYS 和40%SMYS”（见表5）。49CFR 192第192.505条对于高压力（运行压力大于或等于30%SMYS）管道的试压规定为：对于一级、二级地区管道周边300英尺（ 91m）范围内有人员居住的建筑，试压压力不得低于最大运行压力（ MOP）的1.25倍，如果试压压力超过0.5SMYS时可将周边居民疏散，可以使用气体作为试压介质。在各地区等级采用气体试压时，第192.503条规定了最大试压压力（见表6）。

上述对比可以看出，试压介质选择上CSAZ662的规定最为灵活，在试压压力上CSA Z662的规定最高； GB50251在试压介质规定上与美国法规、标准规定基本一致，对于三级、四级地区使用气体试压的规定一致，但对于一级、二级地区的最大允许试压压力规定有差异，水试压时规定的最大允许试压压力低于美国。

还需要指出的是，配合0.8强度设计系数的使用， GB50251-2015第11.2.3条第7款还提出了试压的特别规定：一级一类地区采用0.8强度设计系数的管道，强度试验结束后宜进行管道膨胀变形监测。对于膨胀变形量超过1%管道外径的应进行开挖检查；对于超过1.5%管道外径的应进行换管，换管长度不应小于1.5倍的管道外径。而ASMEB31.8和CSA Z662均没有针对0.8设计系数提出特别的试压要求。

对于输油管道的强度试压， 49CFR 195第195.304条规定试压压力可等于或大于1.25倍的最大运行压力，第195.306条规定试压介质采用水，满足一定条件时允许使用挥发性差的液体石油。 ASME B31.4第437.4条规定试压压力不小于1.25倍的设计压力，当试压压力超过0.9SMYS时需注意防止管道过度应变，满足一定条件时允许使用挥发性差的液体石油作为试压介质。 CSA Z662表8.1规定对于低蒸汽压管道试压压力不低于1.25倍最大运行压力（ MOP），允许使用气体试压；不管试压介质是水还是气体，均规定了最大试压压力，与其对输气管道的规定一致（见表4）。 GB50253-2014删除了旧版在满足一定条件时允许使用气体试压的规定，第9.2.8条规定一般地段的试压压力不低于设计压力的1.25倍（人口稠密区为1.5倍），同时要求最大试压压力不得超过0.9SMYS。GB50253对于试压介质的使用上，比北美的规定严格，最低试压压力与美国一致，但均低于CSA Z662的规定。另外， B50253-2014在最大和最低试压压力的规定上似乎存在矛盾。

7 管输气体加臭

GB50251、 ASME B31.8和CSA Z662均未对干线输气管道要求加臭， 49CFR 192第92.625条对气体加臭做了规定：要求1976年12月31日以后，在三级、四级地区的干线输气管道必须对管输气体进行加臭，且加臭量应保证在20%LEL的浓度下可以用鼻子直接闻到，除非该区段下游管道的50%以上处于一级或二级地区。

8 结语CFR、 ASME和CSA均有章节对管道运行环节提出了技术要求，如设备维护、腐蚀监测与控制、管道完整性管理、管道巡护、人员资质与技能、管道报废等内容，关注管道的全生命周期，并对其中每一部分需要参照的其他相应标准做出了清晰的指引和要求，形成了清晰的树形标准体系。国内油气管道行业缺乏此类关注管道全生命周期的系统性标准， GB50253和GB50251仅是工程设计标准，关注面局限于设计，缺乏对全生命周期的考量，且与其他设计标准或施工标准形成多头并列结构，缺少纲领性规范标准指引和串联。

国内对于油气管道的运行要求分散在其他推荐性的国家或行业标准里，规范约束性较差。而CFR、 ASME、 CSA均指出管道运行过程的技术要求与材料、设计、施工等建设环节是一个系统的整体，有机协调才能全方位的保证管道安全。建议我国在修订标准时参考北美规范和技术标准，在技术规定的各个环节上考虑相互间的承接性和系统性，促进我国油气管道标准技术水平的不断提升。

宋飞：中国石油管道公司生产处副处长，高级工程师，现主要从事油气管道运行管理工作。