现行设计系数对中俄东线OD 1422 mm管道的适用性

    中俄东线天然气管道工程黑河-长岭段干线管径为OD 1 422 mm、设计压力12 MPa、钢级为X80，线路全长737 km，设计输量380×10⁸ m³/a，为大口径、高压力输气管道，涉及到新工艺、新管材的应用，按照目前我国管道设计标准规定的设计系数确定的管道壁厚能否保证管道安全运行，是其设计过程中的技术难题之一。为了探讨GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》规定的设计系数对OD 1 422 mm管道的适用性，中国石油天然气管道工程有限公司利用我国天然气管道可靠性设计与评价技术研究成果，对管道的安全可靠度进行了计算分析，以评估现行设计系数下的OD 1 422 mm管道安全可靠度是否满足中俄东线天然气管道目标可靠度要求。
    GB 50251—2015为国家强制性标准，管道的设计系数和壁厚计算必须满足该标准要求，对于OD 1 422 mm中俄东线天然气管道工程黑河-长岭段干线，采用基于可靠性的设计和评价方法对按照GB 50251—2015规定的设计系数计算得出的管道壁厚进行校核。其技术思路如下：①管段划分，为简化工作，对中俄东线天然气管道工程黑河－长岭段干线管道按照地区等级和管道壁厚进行分段；②根据每条管段沿线的人口密度情况，进行人口密度统计，确定管道的目标可靠度；③依据管道分段，结合沿线的地形、地貌及环境情况，明确管道的相关极限状态和状态方程；④建立基本变量的计算模型，包括管材性能指标、管道腐蚀密度及腐蚀速率等参数模型；⑤选择设计参数和维护计划，包括管道的壁厚、巡检频次及内检测周期等；⑥对可靠度进行计算，并与管道规定的目标可靠度进行对比，如果满足规定的目标可靠度，则认为选用的壁厚能都满足管道安全需求，表明现行设计系数适用于该管道。
    根据GB 50251—2015对地区等级的划分规定将黑河-长岭干线管段划分为10段，其中一级二类地区、二级地区、三级地区的管段分别约为416.7 km、317.7 km、2.6 km。采用基于可靠性的设计和评价方法，基于统计分析得到的中俄东线D 1 422 mm管材性能、建设与运行维护参数，对该工程一级二类地区21.4 mm、二级地区25.7 mm和三级地区30.8 mm三种壁厚的管道失效概率进行计算分析，得到极端极限失效概率分别为9.90×10^-11次/（km.a）、1.73×10^-11次/（km·a），小于最大允许失效概率5.09´10^-6次/（km·a）、4.20´10^-6次/（km·a），满足中俄东线天然气管道目标可靠度要求。
    天然气管道的极限状态分为以下3类：①极端极限状态，是指超出此状态管道将发生大泄漏和破裂等，可能导致重大安全后果；②泄漏极限状态，是指超出此状态管道将发生小泄漏（孔径小于10 mm）等，可能导致输送介质损失后果；③服役极限状态，是指超出此状态管道将发生大变形等，可能影响管道正常运行。
    根据国内输油气管道运行维护调研资料和国内外321种型号的挖掘机设备数据，建立了适合国内天然气管道的碰撞概率计算模型和机械挖掘作用力模型；根据腐蚀缺陷引发的管道爆裂事故计算方法（主要包括美国天然气协会开发的ASME B31G方法、Kiefner和Vieth改进的ASME-B31G方法（简称ASME B31G Mo）和RSTRENG方法、英国天然气公司开发的LPC方法、美国巴特尔研究所开发的PCORRC方法、加拿大Nessim和Zhou基于ASME-B31G Mo开发的C-FER方法等），将国际管道协会公开发表的文献资料L51689和L155中的103组试验数据进行了对比分析，最终选用C-FER方法作为腐蚀缺陷引发的管道爆裂事故的计算方法，并基于该方法的基本方程开发了腐蚀管道爆裂极限状态方程。根据管道极限状态方程，利用蒙特卡洛模拟方法，对管道的腐蚀和第三方设备撞击进行仿真计算，并在计算结果上乘以1.5倍，得到极端极限状态下总体失效概率分别为1.27×10^-7次/（km﹒a）、3.66×10^-10次/（km﹒a）、3.53×10^-15次/（km·a），均满足中俄东线天然气管道目标可靠度要求，表明按现有设计系数计算得到的管道壁厚对OD 1 422 mm管道设计是适用的，能够保障管道建成后安全平稳运行。