澳標油氣管道線路設計研究范文

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摘要：根據澳標進行油氣管道的線路設計是澳洲地區相關工程的基本要求，線路設計中應明確澳標與常規設計方法的差異。這些差異包括建立地理信息系統（GIS）數據集用于路由選線與優化，地區等級量測范圍的計算，主要地區等級、次要地區等級的分類，鋼管壁厚計算及其校核的要點，閥室設置間距的原則與工程經驗等；另外安全管理研究（SMS）也作為線路設計中的一項重要內容，用于分析和評估管道高后果事件及其應對策略。了解掌握這些設計差異對澳洲地區管道線路設計有重要的指導意義。

關鍵詞：澳標；油氣管道；線路設計；地理信息系統

引言

澳洲地區天然氣資源豐富，該地區油氣管道項目逐步成為中方市場開拓的一個重點，目前管道項目涵蓋的地區范圍主要包括澳大利亞、巴布亞、新幾內亞等國家。澳洲油氣管道設計的實施，需要及時了解掌握當地常用標準規范及工程常用設計方法，澳標從20世紀60年代起就開始進行長輸管道標準化體系建設，目前已趨于成熟。鑒于其地域性和適用范圍，國內針對澳大利亞技術標準研究偏少。澳大利亞標準《氣體和石油液體管道》AS2885—2012系列主要包括：AS2885.1—2012《設計和施工》、AS2885.2—2012《焊接》、AS2885.3—2012《運營和維護》、AS2885.4—2012《海底管道系統》和AS2885.5—2012《壓力試驗》。結合澳洲、巴布亞、新幾內亞境內某長輸油氣管道項目的可行性研究設計（Pre-FEED），探討其與常規線路設計方面的技術性差異。

1地理信息系統（GIS）建立

在業主招標文件的工作范圍中，提出要為管道項目建立GIS數據集，用于支持可行性研究設計階段開展路由選擇及線路設計等工作，并要求可行性研究設計結束后，把這些GIS數據移交給業主。這與常規做法有所不同，以往在可行性研究設計階段只把GIS作為一種輔助選線及分析的手段，并沒有系統全面地為單個項目建立獨立的數據集以及數據移交。項目業主只能提供管道沿線1:20×104地形圖及部分喀斯特山區的LiDAR地形數據。為滿足招標文件中提出的GIS要求，設計方結合自身積累和工程經驗，收集大量公共GIS數據，查閱多個國際組織網站,包括國際自然保護聯盟IUCN、聯合國環境規劃署UNEP、聯合國科教文組織UNESCO、世界資源研究所WRI等；還包括多個國際基金專項研究網站，如全球火山計劃、世界保護區數據庫WDPA、斯坦福大學地理空間中心等，進一步對數據庫進行補充，基本實現了管道所在區域多種基礎地理數據和專題數據的全面覆蓋。數據收集整理完成后，設計方對這些數據進行處理，并將柵格地形圖、專題數據錄入ArcGIS軟件平臺中，建立該項目GIS數據集，開展桌面選線研究。然后進行現場踏勘調研，結合踏勘的影像照片資料和環境保護敏感區、現有可依托道路以及業主在該區域的工程建設經驗，對線路進行優化調整。設計完成后把GIS數據集移交給業主，供業主下階段設計或運營管理時沿用。

2地區等級差異

2.1地區等級分類

對公共活動較多的地段，目前輸氣管道設計采用的主要安全措施是增加管道壁厚，即增強管道抗外界破壞的應力水平來維護管道自身的安全。采用這種方式為管道周圍的公眾、建構筑物及其他設施提供安全保障。為了對公共活動進行量化，在設計標準中引入了地區等級的概念，并對不同地區等級的區段定義了相對應的設計系數，通過采取降低管道許用應力的方法增加安全裕度。澳標中地區等級是按管道沿線土地利用類型來反映周圍事物對管道本身或來自管道的威脅。在人口密度大的地方，不僅會導致管道破壞的活動水平增加，而且管道失效后的后果也將更嚴重。因此在人口較多的地區，公眾需要受更嚴格的保護以防止管道失效造成影響。澳標中鋼管的壁厚設計、管道后期運營中所面臨的風險類型及級別等這些因素與地區等級的劃分有關。但是對不同的地區等級采用同一個設計系數（一般段管道設計系數不超過0.8即可），然后按各地區等級中管道可能遭受的不同風險因素對壁厚進行核算，從而選取合適的鋼管壁厚。AS2885.1—2012中規定按管道全孔破裂泄漏著火點熱輻射能量值4.7kW/m2所能影響到的距離，對管道沿線劃分地區等級，分主要地區等級（表1）和次要地區等級（表2）兩大類[1-2]，先劃分主要地區然后再劃分次要地區。

2.2地區等級的量測距離差異

劃分地區等級之前，首先要明確量測范圍。我國輸氣管道國家標準（或美標）中地區等級劃分依據為沿管線中心兩側各200m（或美標中1/8英里）范圍內，任意劃分成長度為2km（或美標中1.6km，即1英里）并能包括的最大聚居戶數。澳標中量測距離考慮的是輸氣管道在全孔破裂情況下熱輻射率不小于4.7kW/m2的范圍，這種熱輻射強度可能會在短時間（不到1min）內對影響范圍內的公眾造成傷害，目的是確保管道設計和運行中能夠識別災難性故障所導致危害的程度。熱輻射距離可以按照API521—2014導則中的公式計算：式中：D表示燃燒中心點到被考慮物體的最小距離，m；τ表示熱強度傳遞系數，取1.0；F表示熱輻射系數，取0.25（可根據工程情況適當調整）；Q表示熱釋放量，kW（與管徑、壓力、釋放時間有關）；K表示允許的熱輻射率，取4.7kW/m2。管道破裂失效影響的因素，不僅取決于人口密度，還取決于量測距離，并與管徑大小和輸送參數有關。比如R2地區等級的大口徑管道周圍2×104m2的區域面積可能會比T1地區等級的小口徑管道面臨更大的風險，盡管后者的地區等級要高[3]。量測距離也可以查找AS2885.1—2012附錄Y中的圖形粗略確定，附錄Y圖表只是給出了幾類典型輸送參數下的工況，對圖表中沒有的工況，需按上述熱輻射距離公式進行計算。一般量測距離的精確性意義不大，合理的距離估計就足夠（因為幾米的誤差并不會對人們因熱量輻射所造成的傷害產生明顯影響）。同樣，公眾或建構筑物超出量測范圍也并不意味著它們完全不受管道失效的影響。

3管道壁厚計算差異

澳標中設計系數不對應地區等級，管道壁厚計算基于風險設計，一般段設計系數不大于0.8。鋼管壁厚除了要承受管道內壓外，還要考慮外界各種破壞風險以及材料本身的特性要求等。因此雖然不同地區等級對應同一個設計系數，但是按環向應力計算出的鋼管壁厚需要根據不同地區等級可能出現的風險實施校核，以驗證選用壁厚滿足不同的狀況。管道壁厚計算應主要考慮的因素包括以下幾個方面[4]：1）腐蝕余量和管道制造公差。若管材用的板卷符合API5L標準，制造公差可不考慮，但是無縫鋼管應考慮制造公差。2）管道內壓。根據設計壓力、管徑及鋼管許用應力計算出的壁厚。3）管道壁厚要滿足抗穿透能力。對T1和T2類等級的地區，因人口眾多，面臨第三方破壞風險增加，壁厚應能確保管道有一定的抗穿透能力，評估挖掘機斗齒或其他施工機具能否造成管道穿孔破壞。4）管道壁厚要滿足臨界主要缺陷長度（CDL）的要求。在T1和T2類等級的地區，用加大鋼管壁厚的方式來增加鋼管臨界缺陷長度，確保管道發生穿透缺陷時，不產生延性擴展。按設計所定義的最小臨界缺陷長度，滿足對鋼管壁厚的要求，同時計算防止缺陷開裂的最小沖擊韌性值。5）壁厚滿足應力應變準則。一般線路段組合應力不超過90%最低屈服強度。6）壁厚滿足斷裂控制的要求。抗脆性斷裂能力通過“落錘撕裂試驗”來檢驗；延性斷裂控制所需的最小韌性值計算參照Battelle簡化公式或者其雙曲線模型。7）壁厚滿足公路鐵路穿越處應力準則，按API1102核算。上述壁厚計算及校核的公式可參見AS2885.1—2012相關章節，另外還有一些其他需要考慮的因素，如壁厚能抵抗應力腐蝕開裂、壁厚應使管道達到足夠的疲勞壽命、滿足“特殊段施工”（特殊的穿跨越，定向鉆外力失穩等）、試壓允許的高差分析等，這些情況需根據具體的工程要求選擇。

4閥室間距差異

澳標中對輸氣管道在R1等級地區的閥室間距無具體要求，并不意味著可以任意設置，需考慮閥室間隔管段內天然氣釋放量和維搶修時間因素。一般來說，閥室間距的增加雖然減少了工程投資，但增加了事故發生時可能造成的潛在危害[5-6]，因此閥室間距設置需綜合考慮經濟效益和運行安全。結合澳洲地區輸氣管道工程實踐，對于R1地區等級，管道截斷閥室間距一般控制在50~80km。在R2等級地區，閥室間距最大為30km，T1和T2等級地區閥室最大間距均為15km。對于輸油管道，在R1、R2地區閥室間距無要求，T1和T2地區最大間距均為15km，其他閥室設置考慮因素與美標和國標中基本一致。

5安全管理研究

安全管理研究（SMS）是設計中需要關注的一項內容，在AS2885.1—2012中明確提出，在前期設計（如Pre-FEED/FEED）階段，需要開展安全管理研究工作并形成報告提交。該報告涵蓋風險分析的部分內容，其主要目的是：①分析識別對項目、環境及社會影響存在主要風險的高后果事件，并提出控制消減措施；②提供足夠的信息，使業主或利益相關方能參與到監管及審批流程中，并對該項目相關的風險項與措施做出決策。該研究執行過程中首先對管道沿線位置特征進行分析，按里程段列出對管道可能存在的潛在威脅源清單。對這些威脅源按點狀、線狀、面狀分類，根據失效后果嚴重程度和發生概率計算矩陣得到風險級別，并從技術上或管理程序上采取防范措施以消除或減緩識別的風險，分析方法和結論編制成獨立的安全管理研究報告。以大大提高研制設備的可靠性，最終推動后續水下裝備的國產化應用和市場化推廣，對我國水下裝備的國產化研制具有較好的借鑒意義。

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作者：何祖祥 李春鋒 王洪波 楊建中 單位：中國石油管道局工程有限公司