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中國在中亞地區(qū)建設(shè)運營多條長輸油氣不銹鋼管。不銹鋼管設(shè)計執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)存在的分歧，各國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)水平的差異，可能造成不銹鋼管投資增加。研究分析了中國、俄羅斯、美國和加拿大不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中不銹鋼管壁厚計算方法的差異，闡述了不銹鋼管壁厚計算方法中設(shè)計系數(shù)、屈服強(qiáng)度、設(shè)計壁厚、公稱壁厚和安全裕量等關(guān)鍵參數(shù)的含義和取值依據(jù)。結(jié)合典型不銹鋼管設(shè)計示例，按照各國不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)給出了壁厚計算值。研究表明，俄羅斯不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中考慮因素最全面，壁厚計算基于管材抗拉強(qiáng)度，計算值偏于保守；加拿大不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中不銹鋼管強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)略高于中國標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)，按照加拿大不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的壁厚值最小。研究分析成果可為國內(nèi)外新建不銹鋼管工程設(shè)計提供參考。

“十三五”期間，我國建立了西北、東北、西南和海上四大油氣長輸不銹鋼管戰(zhàn)略通道。中亞是中國石油海外投資重點地區(qū)，先后建設(shè)運營了中亞天然氣不銹鋼管Ａ、Ｂ、Ｃ線和中哈原油不銹鋼管，目前中亞天然氣不銹鋼管Ｄ線正在籌建中。中亞國家不銹鋼管設(shè)計執(zhí)行北美國家、俄羅斯、中國的國家標(biāo)準(zhǔn)和ＩＳＯ標(biāo)準(zhǔn)，各標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)水平存在的差異，導(dǎo)致在中亞地區(qū)建設(shè)大口徑、高壓力長輸不銹鋼管過程中產(chǎn)生很多問題。例如不銹鋼管項目中應(yīng)執(zhí)行何種類型標(biāo)準(zhǔn)、商討不銹鋼管設(shè)計依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)耗費時間、不銹鋼管建設(shè)周期變長、不銹鋼管設(shè)計很難以最優(yōu)方案實現(xiàn)等，造成不銹鋼管建設(shè)成本增加。中亞天然氣不銹鋼管Ｄ線就因烏茲別克斯坦缺少高壓不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)造成不銹鋼管投資增加。美國、加拿大和俄羅斯是世界上長輸不銹鋼管建設(shè)發(fā)達(dá)國家。我國油氣不銹鋼管海外投資合作的增加，以及大口徑、高鋼級、高壓力不銹鋼管的發(fā)展，均要求相關(guān)方加強(qiáng)對國外不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的研究分析和應(yīng)用。文中分析研究了中國、俄羅斯、美國和加拿大不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中不銹鋼管壁厚計算方法的差異，闡述了各標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼管壁厚計算方法中關(guān)鍵參數(shù)的含義和取值依據(jù)。結(jié)合典型不銹鋼管設(shè)計示例，按照各國不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)計算得出了不銹鋼管壁厚計算值。

1國內(nèi)外不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中壁厚計算方法差異分析

1.1中俄不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

俄羅斯不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中不銹鋼管壁厚計算考慮的影響因素更為全面，例如載荷可靠性系數(shù)狀、不銹鋼管工作條件系數(shù)犿、材料可靠性系數(shù)犽Ｌ、鋼管用途可靠性系數(shù)犽Ｈ等。我國不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中僅考慮了強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)犉、焊接接頭系數(shù)φ和溫度折減系數(shù)犜等。俄羅斯不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中不銹鋼管壁厚計算的理論基礎(chǔ)是標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度犚Ｈ1，中國不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中不銹鋼管壁厚計算的理論基礎(chǔ)是鋼管的最小屈服強(qiáng)度σｓ。根據(jù)材料力學(xué)性能可知，管材抗拉強(qiáng)度大于最小屈服強(qiáng)度。如ＡＰＩＳｐｅｃ５Ｌ—２01２《管線鋼管規(guī)范》

中規(guī)定的ＰＳＬ1等級Ｘ６５鋼管的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為５３５ＭＰａ，最小屈服強(qiáng)度為４５0ＭＰａ；Ｘ７0鋼管的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為５７0ＭＰａ，最小屈服強(qiáng)度為４８５ＭＰａ。壁厚計算的理論基礎(chǔ)不同是俄羅斯不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中壁厚計算方法偏保守的根本原因。

俄羅斯不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中還考慮了不銹鋼管存在縱向和軸向壓縮應(yīng)力的情形，給出了不銹鋼管雙軸受力狀態(tài)系數(shù)，計算過程較復(fù)雜。中國不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中則未考慮這種情形。

1.2中美不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

對輸氣不銹鋼管的壁厚計算方法，中美不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是相同的，僅部分參數(shù)表述略有差異。例如中國不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的焊接接頭系數(shù)φ，在美國不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中定義為軸向連接系數(shù)犑ａ，但其物理意義和取值依據(jù)是相同的。

對輸油不銹鋼管的壁厚計算方法，中美不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)基本相同，差異在于美國不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定不銹鋼管公稱壁厚應(yīng)為壓力設(shè)計壁厚加上螺紋和開槽輸送管裕量以及腐蝕裕量。螺紋和開槽輸送管指符合ＡＳＴＭＡ1９３／Ａ1９３Ｍ—２01６《高溫設(shè)備用合金鋼和不銹鋼螺栓材料》的螺栓連接件，不適用長輸不銹鋼管。美國不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，如采用保護(hù)措施，則無需考慮腐蝕裕量。我國對長輸不銹鋼管已強(qiáng)制實施ＧＢ３２1６７—２01５《油氣輸送不銹鋼管完整性管理規(guī)范》，陰極保護(hù)系統(tǒng)與新建不銹鋼管同步建設(shè)和投入使用

，不銹鋼管保護(hù)措施較完善，不需考慮不銹鋼管壁厚腐蝕裕量。因此，公稱壁厚數(shù)值上等于壓力設(shè)計壁厚。在相同工況條件下，按照中美不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)分別計算出的不銹鋼管壁厚數(shù)值是相同的。

1.3美加不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

美國和加拿大不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的壁厚計算方法基本相同，差異在于強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)的數(shù)值和取值依據(jù)。美國不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了不同地區(qū)等級的強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)，一級一類、一級二類、二級、三級及四級四度地區(qū)的氣體不銹鋼管強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)分別為0.８、0.７２、0.６、0.５和0.４，液體不銹鋼管強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)為0.７２。而加拿大不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)為定值，并規(guī)定了不同地區(qū)等級的位置系數(shù)，不同地區(qū)強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)與位置系數(shù)的乘積見表２。

美加不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中不銹鋼管壁厚計算方法的差異在于，①無論是氣體不銹鋼管還是液體不銹鋼管，加拿大不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)均高于美國不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的。ＡＳＭＥＢ３1.４—２01６明確指出，強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)已考慮了壁厚偏差／公差以及最大缺陷深度，強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)數(shù)值不能超過0.７２，特殊位置管段的強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)數(shù)值可以低于0.７２。②在相同工況條件下，按加拿大不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)得到的壁厚計算值小于按美國不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)得到的壁厚計算值。

2不銹鋼管壁厚計算示例

中國在哈薩克斯坦西部建設(shè)的某輸氣不銹鋼管，不銹鋼管所處地區(qū)等級為一級，不銹鋼管材料采用Ｘ６５鋼，管徑101６ｍｍ，設(shè)計壓力６.４ＭＰａ，載荷（不銹鋼管內(nèi)壓力）可靠性系數(shù)1.1，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度５３1ＭＰａ，不銹鋼管工作條件系數(shù)0.７５，材料可靠性系數(shù)1.３４，鋼管用途可靠性系數(shù)1，計算抗拉強(qiáng)度２９７.２ＭＰａ，鋼管的最小屈服強(qiáng)度４４８ＭＰａ，焊接接頭系數(shù)1，溫度折減系數(shù)1。采用中國、俄羅斯、美國和加拿大不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)計算得到的不銹鋼管壁厚分別為10.0８ｍｍ、11.７５ｍｍ、10.0８ｍｍ和９.0７ｍｍ。

可以看出，采用各國不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)得到的壁厚計算值存在差異，按加拿大不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)得到的壁厚值最小，按中國和美國不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)得到的壁厚值相同，而按俄羅斯不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)得到的壁厚計算值最大，俄羅斯不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相對保守。

3結(jié)論

（1）中國不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中考慮了強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)、焊接接頭系數(shù)和溫度折減系數(shù)等。在此基礎(chǔ)上，美國和加拿大不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中考慮了腐蝕、螺紋等安全裕量。俄羅斯不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中針對壁厚計算考慮的因素最為全面，包括載荷可靠性系數(shù)、不銹鋼管工作條件系數(shù)、材料可靠性系數(shù)及鋼管用途可靠性系數(shù)等。

（２）俄羅斯不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中壁厚計算的理論基礎(chǔ)是標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度，而中國、美國和加拿大不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中壁厚計算的理論基礎(chǔ)是鋼管的最小屈服強(qiáng)度，這是俄羅斯不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中壁厚計算方法偏保守的根本原因。

（３）加拿大不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)略高于中國和美國不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的，按照加拿大不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)得到的不銹鋼管壁厚值最小。

（４）進(jìn)行中亞國家長輸不銹鋼管設(shè)計時，在執(zhí)行所在國家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，可參考我國不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或者美國不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。從減少不銹鋼管投資成本角度考慮，可參考加拿大不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。采用國內(nèi)外不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壁厚設(shè)計時應(yīng)互相借鑒參考，必要時可采用通用不銹鋼管設(shè)計軟件對壁厚計算值進(jìn)行校核。