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          標準規范

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          《輸油管道工程設計規范》GB50253-2014相關條款修訂說明

          來源:《管道保護》雜志 作者:張振永 時間:2018-7-12 閱讀:

          1 前言

          根據住房和城鄉建設部關于工程建設標準制修訂要求(建標[2011] 17號),輸油管道工程設計規范編制組于2011年開始了輸油管道工程設計規范的修訂工作。在修訂過程中,標準編制組進行了廣泛調查研究,認真總結了近十年的工程建設經驗, 并參考了美國ASME B31.4、加拿大CSA Z662和國際ISO 13623等國外先進標準,在廣泛征求意見和多次專家研討、標準審查的基礎上,歷時3年, 完成了對標準的修訂。新版標準GB 50253-2014已于2015年4月1日正式發布實施。與GB 50253-2003 (2006年版)相比,本版標準在8個方面進行了較大修訂,如根據國家現行法律、法規的要求修訂所涉及的條文,規定了輸油管道工程與上下游相關企業及設施的界面劃分范圍,以及補充修訂有關管道并行敷設的相關規定等,具體在新版標準的前言中有詳細陳述。

          輸油管道作為線性工程,途經區域廣泛,在建設中與地方城鎮、交通、水利、礦產資源以及環境敏感區等方面的協調工作量較大,涉及多方利益,尤其是管道的安全,更是各方關注的焦點。為增強管道本質安全,以便為沿途公眾及建(構) 筑物提供安全保障,新標準從管道的選線、與建(構)筑物的間距、管道選材及壁厚設計、無損檢測和管道試壓等多方面進行了修訂。為更好地推動新版標準的應用,本文結合管道失效及防護分析作進一步的說明。

          2 輸油管道的失效分析

          造成輸油管道事故的原因主要有第三方破壞、腐蝕、材料和施工、管道應力腐蝕、自然原因造成的地質災害和其他未知因素。根據國外統計數據,輸油管道平均失效頻次約為0.46×10-4 次/(km•),根據管道的失效原因和失效頻次,對不同數據來源的管道失效原因所占頻次進行統計, 顯見第三方破壞和管道內外腐蝕為主要因素。

          2006 年,中國石油開始對管道實施完整性管理, 根據國內統計的管道失效數據,管道的主要失效原因依次為外力破壞、腐蝕、制造缺陷、自然災害、誤操作和其他原因,總體趨勢與國外EGIG 統計結果一致。

          圖1 國內外輸油管道失效數據統計分布圖

          3 輸油管道的失效類型及減緩措施

          3.1 管道失效類型

          國內外的實踐表明,埋地管道的主要失效原因為外力破壞和管道腐蝕,二者占到總失效數的近70%左右。管道的外力破壞主要是受第三方施工時機械挖掘碰撞管道造成的破壞,挖掘碰撞管道造成的失效類型可分為管道刺穿、管道爆裂、大孔泄漏和管道破裂。當挖掘機作用力大于管道抗力時,挖掘機的斗齒將刺穿管道整個壁厚,導致管道發生泄漏;若挖掘機斗齒未能刺穿管壁而形成劃痕,當劃痕的長度和深度到達一定程度時,管道承壓能力不足,將會造成管道爆裂,爆裂后根據缺陷是否發生失穩擴展,又將導致大孔泄漏或管道破裂。

          管道腐蝕造成的失效類型有小孔泄漏、管道爆裂、大孔泄漏和管道斷裂,其中管道爆裂是指管道腐蝕到一定程度,雖然深度方向尚未貫穿管道壁厚,但由于管道壁厚的減薄,造成承壓能力小于輸送介質內壓,致使管道發生爆裂,缺陷將貫穿整個壁厚。如果腐蝕缺陷的長度達到一定程度,則管道缺陷沿軸線方向將發生失穩擴展,導致管道發生破裂;如果腐蝕缺陷長度較小,則缺陷不會擴展,將發生大孔泄漏。

          3.2 減緩措施

          管道的第三方挖掘破壞失效概率與機械挖掘碰到管道概率及挖掘設備碰到管道后造成管道失效的概率有直接關系。要減小管道第三方挖掘破壞失效概率,一是要降低管道周圍施工挖掘碰撞管道的可能;二是機械設備碰撞管道后管道要有足夠的抗力,能夠承受設備的撞擊而不失效。機械挖掘碰到管道的概率與機械在管道上方挖掘活動的頻率、第三方未發現管線地面標志、第三方選擇不予通告、巡線人員未發現第三方開挖活動以及開挖深度超過管線埋深等十二個基本事件有關,通過基本事件的演繹邏輯和故障樹分析計算,可計算管道遭受機械開挖碰撞的概率。通過分析,適當增加管道的埋深、增設地面表面標識、在管頂上方鋪設警示帶和加大巡線頻次,可有效降低管道遭受機械開挖碰撞的風險。對于管道遭受機械挖掘碰撞后是否失效, 與管道的壁厚、管材的抗拉強度等力學性能有直接關系,通過計算分析,管道的壁厚對提高管道遭受破壞的抗力有顯著關系,提高壁厚可明顯降低管道破壞失效的風險。

          對于管道的腐蝕,與管道埋地后的防腐層破損點密度、管道在埋地環境下的腐蝕速率、內檢測周期,以及管道壁厚和管材性能等有直接關系。采用性能優異的防腐層和管溝內回填細土,可有效降低防腐層的破損點。保持管道陰極保護正常運行, 可明顯降低管道的腐蝕速率。增加壁厚和提高管道的材料性能,可有效提高管道存在腐蝕缺陷下失效的抵抗能力。

          對于管道在腐蝕、第三方挖掘破壞、管體焊縫缺陷和地面位移條件下的管道失效,通過研究發現,增加管道壁厚和提高管材強度水平對管道抵抗各種破壞的能力有明顯好處,具體見圖2。

          管道的材料和施工方面存留缺陷造成的管道失效,主要是指鋼管在鋼管廠內進行焊接和現場環焊縫焊接時存留的焊接超標缺陷。為保證這些鋼管焊縫和現場環焊縫的質量,工程中均要求進行100%射線或100%超聲探傷,以便檢查管體焊縫和環焊縫是否存在不合格缺陷。另外,在工程投產前還要進行管道的強度試壓和嚴密性試壓。管道試壓的目的,一是檢驗管道的整體強度,檢驗其是否能夠承受以后的運行壓力;二是為以后提高管道輸量,增加管道輸送能力提供依據。強度試壓主要是在高試驗壓力水平下暴露更小的缺陷或缺陷不穩定增長造成的管道破裂;嚴密性試壓主要是在較低的試驗壓力下暴露那些不發生擴展的穩定缺陷(一般為小孔泄漏)。根據試壓的目的不同,管道的試驗壓力和所需穩壓時間亦不同。當缺陷尺寸一定時,管道試驗壓力越高,越容易暴露缺陷。國外曾對已建管道試驗壓力與暴露缺陷數量做過大量統計研究,表明暴露缺陷的數量與管道試壓水平有直接關系,暴露缺陷最多的試驗壓力為名義最小屈服強度的90%~110%。以國內某工程為例, 管徑D1219mm、鋼級X80M、壁厚為16.5mm ,設計壓力為12MPa,強度試驗壓力分別取13.5MPa、15 MPa、15.78MPa,對應產生的環向應力分別為90%SYMS、100%SYMS和105%SYMS。根據計算分析,可以得出:不同的試驗壓力所對應的容許缺陷值不同,隨著試驗壓力的提高,容許的缺陷尺寸相應降低;試驗壓力從13.5MPa提升至15MPa和15.78MPa,明顯可以暴露更多的缺陷。

          圖3 管道強度試驗壓力與容許缺陷的關系

          4 標準相關條文的修改說明

          (1)GB50253-2003(2006年版)(以下簡稱原標準)4.1.3條規定:“輸油管道不得通過城市水源區、工廠、飛機場、火車站、海(河)港碼頭、軍事設施、國家重點文物保護單位和國家級自然保護區。當輸油管道受條件限制必須通過時,應采取必要的防護措施并經國家有關部門批準”。GB50253-2014(以下簡稱現標準)4.1.3條規定: “管道不應通過飲用水水源一級保護區、飛機場、火車站、海(河)港碼頭、軍事禁區、國家重點文物保護范圍、自然保護區的核心區”。

          修訂原因:國家《飲用水水源保護區污染防治管理規定》規定:“飲用水地表水源一級保護區內禁止新建、擴建與供水設施和保護水源無關的建設項目;飲用水地下水源一級保護區內禁止輸送污水的渠道、管道及輸油管道通過”!吨腥A人民共和國自然保護區條例》規定:“在自然保護區的核心區和緩沖區內,不得建設任何生產設施。在自然保護區的實驗區內,不得建設污染環境、破壞資源或者景觀的生產設施”!吨腥A人民共和國軍事設施保護法》規定:“軍事設施是指國家直接用于軍事目的的下列建筑、場地和設備,包括指揮機關、地面和地下的指揮工程、作戰工程;軍用機場、港口、碼頭;營區、訓練場、試驗場;軍用洞庫、倉庫;軍用通信、偵察、導航、觀測臺站和測量、導航、助航標志;軍用公路、鐵路專用線,軍用通信、輸電線路,軍用輸油、輸水管道;國務院和中央軍事委員會規定的其他軍事設施”?梢娷娛略O施非常廣泛,不但包括一些點狀工程,還包括一些軍用公路、鐵路、通信、輸電、輸水、輸油等線性工程。

          原標準對于這些內容的規定,一些是法律法規禁止的行為,標準采用了“不得通過”的規定, 但后面又規定了“當條件受到限制時,應采取保護措施并經國家有關部門批準”,條文表述不夠嚴謹。另外,對于一些非法律禁止的行為,如穿越軍事設施中的軍用公路、鐵路、通信、輸電、輸水、輸油等線性工程,條款中也規定“不得通過”,管道建設中很難完全避讓開這些線性的軍事設施,因此要求過于嚴格,不符合實際。鑒于上述情況,綜合相關的法律、法規和標準規范要求,并結合多年的工程實踐,現標準對該條內容重新進行了規定。

          (2)原標準4.1.5條變成現標準4.1.6條,主要內容調整如下:

          ①原標準4.1.5條第1款規定:“原油、C5及C5 以上成品油管道與城鎮居民點或獨立的人群密集的房屋的距離,不宜小于15m”,F標準4.1.6條第1 款規定:“原油、成品油管道與城鎮居民點或重要公共建筑的距離不應小于5m”。

          修訂原因:原標準對于管道與城鎮居民點或獨立的人群密集的房屋的距離要求,主要是參照了美國交通運輸部的法規性文件《液體管道聯邦最低安全標準》195.210條中規定的相關內容:對于埋地原油、成品油管道與城鎮居民點或獨立人群密集房屋的間距要求不宜小于15m,受地形限制采取措施后,可允許縮小間距,但不宜小于8m。由于標準中無論對于15m,還是8m的間距要求都是采用的“不宜”用語,在標準的使用中大家理解不統一,執行過程中容易突破下限,不利于管道保護。另外,該間距要求也與目前的管道保護法要求不一致。對于上述間距要求及存在的問題,編寫組在現標準編制過程中,通過大量調查、研究后認為:

          ● 歐美ASME B31.4、CSA Z662和ISO 13623 等有代表性的輸油氣管道技術標準對管道與上述建(構)筑物的間距要求均沒有明確規定;

          ● 我國管道保護法規定“管道線路中心線兩側各5米地域范圍內不能修建建(構)筑物”,主要是考慮滿足管道運行維護的要求和避免周圍第三方施工對管道造成的損傷。

          ● 對于輸油管道的安全,主要是通過采取合理的設計系數來控制管道自身安全,以對周圍建(構)筑物提供安全保證,國內外的研究和工程經驗表明,適當提高管道壁厚和加大管道埋深,可以顯著提高管道抵抗第三方挖掘施工帶來的誤傷害能力。

          ●《液體管道聯邦最低安全標準》195.210規定:選擇的管道作業帶應盡可能避開包含私人住所、工業建筑和公眾集會的地方;如管道的埋深無法保證大于305毫米,則管道距離私人住宅、任何工業建筑或公共集會場所不得小于15米。原標準規定,管道的埋深一般要求不小于0.8米,可見在參考《液體管道聯邦最低安全標準》195.210規定間距時偏于保守。

          ● 國內管道建設通道獲得困難,管道建設與沿線地方用地矛盾日益突出。

          綜合上述因素,現標準將該條款修訂為“管道與城鎮居民點或重要公共建筑的距離不應小于5m”,與管道保護法要求保持一致,同時該條被劃為強制性條款。另外,為確保這些重要地段的管道安全,現標準的5.2.1條、9.1.8條、9.2.8條分別對管道的設計系數、無損探傷和試壓提高了要求,相比原標準要求更加合理、措施更加周密。

          ②原標準4.1.5條第3款規定:“原油、液化石油氣、C5及C5以上成品油管道與高速公路、一二級公路平行敷設時,其管道中心距公路用地范圍邊界不宜小于10m,三級及以下公路不宜小于5m”,F標準4.1.6條第4款規定:“輸油管道與公路并行敷設時,管道應敷設在公路用地范圍邊線以外,距用地邊線不應小于3m。如受制于地形或其他條件限制不滿足本條要求時,應征得公路管理部門的同意”。

          修訂原因:原標準對于管道同公路并行敷設時的間距要求,根據的是1978年石油工業部與交通部制定的《關于處理石油管道和天然氣管道與公路關系的若干規定(試行)》。這兩個規定制定時間較早,至今一直沒有更新,目前可操作性較差。2011年7月1日起施行的《公路安全保護條例》規定,公路建筑控制區的范圍為從公路用地外緣起向外的距離標準為:高速公路不少于30米,國道不少于20米,省道不少于15米,縣道不少于10米,鄉道不少于5米;對于控制區范圍內,明確規定禁止修建建筑物和地面構筑物,但沒有禁止修建埋地管道。

          目前國內建設管道走廊越來越受限制,為盡量避免對沿途地方規劃和用地的影響,很多地方規劃部門明確要求管道要沿已有道路敷設并盡量埋設在其建筑控制區范圍內。對于這種情況,管道建設單位需向公路管理部門提出申請,并溝通協商確定。結合上述情況,并總結多年國內管道的建設實踐,提出了該規定。

          ③原標準4.1.5條第4款規定:“原油、C5及C5 以上成品油管道與鐵路平行敷設時,管道應敷設在距離鐵路用地范圍邊線3m以外”,F標準4.1.6條第3款規定:“輸油管道與鐵路并行敷設時,管道應敷設在鐵路用地范圍邊線3m以外,且原油、成品油管道距鐵路線不應小于25m,液化石油氣管道距鐵路線不應小于50m。如受制于地形或其他條件限制不滿足本條要求時,應征得鐵路管理部門的同意”。

          修訂原因:原標準對于該款的規定是根據1987年由石油工業部、鐵道部制訂的《原油、天然氣長輸管道與鐵路相互關系的若干規定》中的相關要求,該規定至今一直沒有更新,目前可操作性較差,F行《鐵路工程防火設計規范》(TB10063- 2007)3.1.5 條規定:“輸送甲、乙、丙類液體的管道和可燃氣體管道與鐵路平行埋設或架設時, 與鄰近鐵路線路的防火間距分別不應小于25m和50m,且距鐵路用地界不小于3.0m”。結合此要求,標準修訂中對此項規定進行了調整,以便與TB10063-2007規定相協調。

          ④原標準4.1.5條第7款規定:“液態液化石油氣管道與城鎮居民點、公共建筑的距離不應小于75m”,F標準4.1.6條第6款規定:“液化石油氣管道與城鎮居民點、重要公共建筑和一般建(構) 筑物的距離應符合《城鎮燃氣設計規范》(GB 50028)有關規定”。

          修訂原因:原標準對于液化石油氣管道與城鎮居民點、重要公共建筑和一般建(構)筑物的距離要求參照的是《城鎮燃氣設計規范》(GB 50028- 1998)的有關規定,現行《城鎮燃氣設計規范》(GB 50028-2006)對于這些間距要求有了較大調整,與原標準相比間距均有所減小。標準修訂中對于這些具體間距不再進行摘錄,改為直接引用《城鎮燃氣設計規范》(GB 50028)。

          (3)原標準5.2.1條規定,輸油站外一般線路段管道許用應力計算設計系數取0.72,F標準規定,輸油站外一般線路段管道設計系數取0.72,城鎮中心區、市郊居住區、商業區、工業區、規劃區等人口稠密地區管道設計系數取0.6;輸油站內與清管器收發筒相連接的干線管道設計系數取0.6。

          修訂原因:本條增加了安全余量。其中設計系數的選取參考了美國現行標準ASME B31.4的相關規定,本次修改中增加了城鎮中心區、市郊居住區、商業區、工業區、規劃區等人口稠密地區設計系數取0.6的規定。這主要是考慮到近年來輸油管道沿線情況越來越復雜,通過人口密集地段,兩側建(構)筑物相鄰較近,人文活動相對頻繁,管道面臨第三方破壞風險增加,同時管道一旦破壞發生泄漏,后果影響較大,因此對于這些地段要求采用相對較低的設計系數,提高壁厚,可以明顯降低管道的各種失效風險(如腐蝕、第三方挖掘破壞等)。

          對于輸油站內與清管器收發筒相連接的管道按照線路段設計,原標準中沒有明確,本次修訂中參照了殼牌DEP 31.10.00.10-Gen的相關條款,并結合國內多年的實踐經驗,明確規定設計系數取0.6。

          (4)原標準5.1.8條第3款規定,采用超聲波探傷時,對通過居民區、工礦企業的,應進行100% 射線探傷檢驗;對于采用射線檢驗的,沒有要求再進行超聲波探傷,F標準規定,通過居民區、工礦企業應進行100%射線和超聲波探傷檢驗。

          修訂原因:射線探傷和超聲波探傷的機理不同,在探傷上各具特點。射線一般對氣孔、夾渣等體積性缺陷較為敏感,檢出率高;超聲波探傷對裂紋、未熔合、未焊透等面狀缺陷敏感,檢出率要高。由于兩者具有較好的互補性,考慮到居民區、工礦企業等地段的重要性,現標準明確規定要進行雙百檢測,規定要嚴于原標準。

          (5)原標準 9.2.7條對管道的試壓提出了要求,沒有明確規定人口密集地段的試壓要求,F標準在9.2.8條中明確規定,在人口密集區強度試驗壓力不小于1.5倍的設計壓力。

          修訂原因:現標準5.2.1條、5.1.8條在分別規定人口密集區采用0.6設計系數和進行雙百探傷的基礎上,進一步規定采用較高的強度試驗壓力,以便在管道投運前充分暴露管道缺陷,為管道正式運行留有充足的安全裕度。◢

          (作者:張振永,中國石油天然氣管道工程有限公司,主任工程師、高級工程師;中國石油天然氣管道局管道設計院高級技術專家 )

          《管道保護》2015年第4期總(23)

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