宋飛

中國石油管道公司

GB50253-2014《輸油管道工程設計規范》和GB50251-2015《輸氣管道工程設計規范》是目前我國油氣管道工程設計的主要技術規范。和舊版本相比， GB50253-2014主要修訂了管道與建構筑物的間距、泄壓、試壓等規定。 GB50251-2015主要修訂了強度設計系數、管道與建構筑物的間距、線路截斷閥間距、管道線路放空、試壓與焊接檢驗等規定。

GB50253和GB50251在修訂過程中，總結了國內近年來油氣管道工程實踐和經驗，并參考了美國機械工程師學會（ ASME）、加拿大標準協會（ CSA）等北美的油氣管道標準以及美國聯邦法規（ CFR），但比較它們的內容結構與條文規定，仍存在一些重要差別。本文將分析對比它們在地區等級劃分、設計系數、線路截斷閥間距、管道與周邊建構筑物的間距、放空、試壓、管輸氣體加臭等方面存在的差異。本文對比分析的ASME B31.4的版本是2012年版，其他若不加特別說明，均指所述法規、標準的最新版本。

1 地區等級劃分

地區等級劃分是美國和加拿大主導提出的，主要用于輸氣管道設計，用來確定管道強度設計系數，是CFR和ASME、 CSA標準早期版本的核心內容，后來高蒸汽壓（ HVP）液體（如LPG、液氨）管道也采用了地區等級劃分。我國在上世紀70年代參考ASME B31.8引入了地區等級劃分，摒棄了原來借鑒蘇聯采用的輸氣管道與沿線建構筑物間設置安全距離的做法。地區等級劃分是北美與中國輸氣管道設計的重要基礎，體現了輸氣管道在設計上以強度保安全的核心理念，是與輸油管道設計標準的重要區別。在輸油管道設計上，中國與北美均采用設置安全防護（緩沖）距離來控制安全。

GB50251-2015與北美輸油氣管道標準均將管道經過的地區劃分為4個地區等級（見表1），但是地區等級的判定不同。首先，在區段劃分上，北美的做法均將管道中心線兩側各200m、任意長度為1.6km的范圍劃分為一個區段，而GB50251對于區段長度擴大至了2km。其次，每個區段內的居民戶數也較北美規定寬泛，允許的戶數更多。之所以有這些區別， GB50251-2015條文說明指出主要是考慮了我國人口密度大的國情。

另外， GB50251-2015 參考ASME B31.8和CSAZ662將一級地區進一步細分為一級一類和一級二類，而這種劃分卻始終未被美國聯邦法規所采納。由表1及區段劃分的差別可以看出，我國在不同等級地區所允許的居住人口密度遠大于北美，基于在輸氣管道設計的其他方面（如材料、焊接、試壓等）及運行維護采取同等技術要求的條件下，我國輸氣管道的安全保障水平是低于北美的，或者說我國需要承受更大的失效風險。

2 設計系數

劃分地區等級的目的是區分管道強度設計系數，管道強度設計系數與地區等級配套使用，最早用于輸氣管道設計，后來也被高蒸汽壓液體管道所采用。GB50251-2015規定的強度設計系數主要參考了ASME B31.8，增加了一級一類地區和一級二類地區，引入了0.8的設計系數。但值得注意的是，美國聯邦法規 49CFR 192至今未采納0.8的強度設計系數，允許的最大強度設計系數為0.72。 CSA Z662規定計算管道設計壓力的設計系數為F×L，設計系數（ F）取值為0.8， L為地區等級系數，對于非酸性天然氣管道，地區等級系數（ L）取值為：一級地區為1、二級地區為0.9、三級地區為0.7、四級地區為0.55。一般地段的輸氣管道的設計系數規定匯總見表2。由表2看出， CSA Z662的設計系數明顯高于其他標準。

另外，對于穿越管段， 49CFR 192 第192.111(d) 條規定：對于一級和二級地區通航水域中的鋼管, 設計系數必須等于或小于0.5。我國國家強制標準GB50423-2013《油氣輸送管道穿越工程設計規范》第3.2.2條對于水域穿越段的強度設計系數規定與美國聯邦法規不同，具體為：一級地區小型水域與大中型水域穿越段的設計系數分別為0.72和0.6，二級地區小型水域與大中型水域穿越段的設計系數分別為0.6和0.5。 GB50423未說明穿越水域是否區分通航，只是以穿越長度區分設計系數，設計系數的取值上明顯高于美國聯邦法規。

對于低蒸汽壓（ LVP）液體管道，也使用強度設計系數，但不區分地區等級。 49CFR 195第195.106條規定設計系數為0.72； ASME B31.4第403.2.1條規定設計系數不超過0.72，考慮管道用途和所處位置的不同，可降低設計系數； CSA Z662規定設計系數不超過0.8。新版GB50253第5.2.1條做了修訂，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的設計系數應取0.6”的規定。

3 管道與周邊建構筑物的間距

49CFR 195第195.210條規定管道與兩側民宅、工業建筑或公眾聚居區間的距離不應小于15m，但在將管道埋深加深12英寸（ 305mm）的前提下可縮小間距。

GB50253-2014第4.1.6條規定原油、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，而舊版（ 2003年版）的規定為15m，因受條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規定管道中心線與周邊建構筑物的最小間距不應小于5m，與GB50253-2014的規定相同，而舊版（ 2003年版）未做規定。

二者在條文說明里解釋說，新版對間距修訂的主要依據是《中華人民共和國石油天然氣管道保護法》第三十條規定，即：禁止在管道線路中心線兩側各五米范圍內進行深根植物種植、取土、采石、挖掘、修建構筑物等危害管道安全的行為。但管道保護法第三十一條又規定，管道線路中心線兩側修建的建構筑物與管道線路和管道附屬設施的距離應當符合國家技術規范的強制性要求。《中華人民共和國石油天然氣管道保護法釋義》對此解釋為：第三十條規定管道兩側五米的范圍禁止危害管道安全的行為，主要是出于保護管道本體的考慮，避免管道周邊的活動誤傷損壞管道；對于第三十一條安全距離的規定，則是出于考慮管道破損失效后對于周邊居民的影響，需要技術規范給出安全的失效緩沖距離。 GB50253-2014的條文說明中刪除了舊版（ 2003年版）中關于適當的距離可以減緩管道失效對于周邊居民安全影響的考慮，僅從節約用地和滿足施工作業及運行維護的需要考慮，縮小了與周邊建構筑物的間距要求。上述修訂對于我國油氣管道建設和保護將產生深遠影響，值得在工程實踐和管道運行管理中進行認真總結。

4 線路截斷閥間距

輸氣管道設置線路截斷閥的目的是便于管道維護修理以及當管道發生破損時，盡可能減少損失和防止事故擴大。對比GB50251-2015與CFR192、ASME B31.8、 CSA Z662發現，我國與北美對輸氣管道線路截斷閥最大間距的要求基本相同，但需要指出的是， GB50251-2015參考CSA Z662規定允許按照地區等級對線路截斷閥間距進行調增。線路截斷閥最大間距規定匯總對比見表3。 49CFR 192對輸氣管道截斷閥間距要求較為嚴格。

ASME B31.8和CSA Z662指出：在確定輸氣管道線路截斷閥間距時，可以通過工程評估確定，或者按照其規定的最大允許間距確定。進行工程評估時，主要考慮放空量或漏失量、放空時間、運行連續性、放空對周邊的影響等因素。隨著輸氣管道向大口徑、高壓力的發展，考慮到減少線路截斷閥間管段的放空損失量、縮短放空時間、保障下游用氣安全等因素，同時具體到我國輸氣管網末段靠近用氣市場的區域用于調峰的儲氣庫規模偏小的現狀，建議我國在工程實踐中可適當縮小輸氣管道線路截斷閥間距。

對于低蒸汽壓液體（如原油、成品油）管道，北美法規和協會標準均未給出具體的線路截斷閥間距要求，但給出了設置原則，且均要求在主要河流和飲用水水源地穿越段兩側設置截斷閥。其中， 49CRR 195第195.260條指出高水位線大于30m的河流穿越兩側應設置截斷閥。

GB50253-2014規定應設置線路截斷閥，且4.4.2條規定：原油、成品油管道線路截斷閥的間距不宜大于32km。對于環境敏感區域管段，GB50253第4.4.4條規定：埋地輸油管道沿線在河流大型穿跨越及飲用水水源保護區兩端應設置截斷閥。在人口密集區管段或根據地形條件認為需要截斷處，宜設置線路截斷閥。 GB50423-2013《油氣輸送管道穿越工程設計規范》規定的大型河流穿越指多年平均水位線大于或等于100m的河流，小型河流穿越指多年平均水位線不大于40m的河流。結合GB50253和GB50423的規定，我國對于河流穿越兩側設置截斷閥的要求低于美國聯邦法規。

5 放空與泄壓

49CFR 192（§192.179 條）和ASME B31.8（ 846.2.1條）、 CSA Z662（ 4.4.10條）均在線路截斷閥章節對輸氣管道的線路放空進行了規定，主要考慮到線路放空的設置與線路截斷閥間距、放空的可操作性等有關。三者均規定每個可被線路截斷閥隔離的管段應設置放空，放空速度、放空能力滿足實際可做到的“盡快完成”。 GB50251參考ASMEB31.8的規定在新版修訂了3.4.2條，將原規定的“每個線路截斷閥上下游均設置線路放空”修訂為“每個管段應設置放空”。對于放空能力、放空速度的規定， GB50251-2015第3.4.9條指出需滿足最大放空量的要求。其條文說明給出了中國石油所屬輸氣管道的放空時間一般為10～12h的做法。放空時間長短是放空管設計的重要影響因素，中石油在大型輸氣管道設計上一般采用10h，給出的說明是“借鑒西氣東輸一線的做法”。但筆者認為10h的放空時間對于某些大型輸氣管道來說太長了，因為我國輸氣管道下游配套的儲氣能力不足，且下游用氣市場在氣源和供應通道上也缺乏多元性， 10h的放空時間可能會嚴重影響供氣的穩定性和連續性。有文獻（ M.Mohitpour, H.Golshan ,A.Murray,《Pipeline design & construction: a practical approach(third edition)》 ,ASME Press）表明，北美輸氣管道在管段兩端放空同時開啟的情況下，放空完成時間一般為30～60分鐘。

ASME B31.4和CSA Z662均指出設置泄壓是防止輸油管道或設備設施超壓的一種手段，但未對是否設置泄壓做出要求。 49CFR 195也未對是否設置泄壓做要求。 GB50253-2003第6.3.2條、 6.4.1條、6.5.1條、 6.10.8條對設置泄壓做出了強制規定，而在2015年新版里進行了修改，指出是否設置站場泄壓應根據瞬態水力分析結果確定，但保留了減壓站須設置站場泄壓的要求（ 6.3.11條），這是GB50253-2014修訂的一個重大變化。

6 試壓

GB50251-2015對輸氣管道的強度試壓規定進行了修訂，最低和最大試壓壓力要求均提高了，修訂后在試壓介質、最小試壓壓力方面的規定與ASME B31.8基本一致，但最大試壓壓力有區別。

GB50251-2015允許的最大試壓壓力低于ASME B31.8的規定； ASME B31.8對于水作為試壓介質時，未規定最大試壓壓力。試壓介質上， CSA Z662對于任何管段均許可采用氣體試壓，其8.7.2.3條規定了適用條件：當管材符合加拿大國家標準關于切口韌性要求、是新管道且焊縫系數為1、試壓時符合一定條件，才允許采用空氣或不可燃、無危害氣體作試壓介質。這些條件包括環境溫度過低、符合水質的水量不夠、排水不便、管段沿線地形起伏引起水試壓分段過多、不允許管段任何點強度試壓產生的環向應力超過最低屈服強度的80%等（見表4）。

表中： DP指設計壓力， SMYS指管材最小屈服強度， MOP指最大運行壓力， NA指不允許， NR指未規定。

注1： GB50251和ASME B31.8不允許使用空氣。

注2：除空氣外，還允許使用天然氣。

注3： GB50251和ASME B31.8規定了在三級、四級地區使用空氣作為試壓介質的條件，具體見表5。

注4：試壓介質為水時， CSA Z662規定允許的最大試壓壓力為下述兩個值的較小者：（ 1）材料最小屈服強度的1.1倍；（ 2）采用壓力-體積圖法記錄試壓過程時記錄的壓力-體積曲線偏離直線0.2%的壓力點。

由表4并結合各標準對于設計系數的規定，雖然CSA Z662許可的設計系數高于其他標準，但CSA Z662也規定了更高的試壓壓力，通過試壓這一環節來檢驗管道的完整性，從而確保安全。

GB50251-2015與ASME B31.8也對三級和四級地區使用空氣作為試壓介質提出了條件限制，規定“三、四級地區的管道試壓時最高環向應力分別小于50%SMYS 和40%SMYS”（見表5）。49CFR 192第192.505條對于高壓力（運行壓力大于或等于30%SMYS）管道的試壓規定為：對于一級、二級地區管道周邊300英尺（ 91m）范圍內有人員居住的建筑，試壓壓力不得低于最大運行壓力（ MOP）的1.25倍，如果試壓壓力超過0.5SMYS時可將周邊居民疏散，可以使用氣體作為試壓介質。在各地區等級采用氣體試壓時，第192.503條規定了最大試壓壓力（見表6）。

上述對比可以看出，試壓介質選擇上CSAZ662的規定最為靈活，在試壓壓力上CSA Z662的規定最高； GB50251在試壓介質規定上與美國法規、標準規定基本一致，對于三級、四級地區使用氣體試壓的規定一致，但對于一級、二級地區的最大允許試壓壓力規定有差異，水試壓時規定的最大允許試壓壓力低于美國。

還需要指出的是，配合0.8強度設計系數的使用， GB50251-2015第11.2.3條第7款還提出了試壓的特別規定：一級一類地區采用0.8強度設計系數的管道，強度試驗結束后宜進行管道膨脹變形監測。對于膨脹變形量超過1%管道外徑的應進行開挖檢查；對于超過1.5%管道外徑的應進行換管，換管長度不應小于1.5倍的管道外徑。而ASMEB31.8和CSA Z662均沒有針對0.8設計系數提出特別的試壓要求。

對于輸油管道的強度試壓， 49CFR 195第195.304條規定試壓壓力可等于或大于1.25倍的最大運行壓力，第195.306條規定試壓介質采用水，滿足一定條件時允許使用揮發性差的液體石油。 ASME B31.4第437.4條規定試壓壓力不小于1.25倍的設計壓力，當試壓壓力超過0.9SMYS時需注意防止管道過度應變，滿足一定條件時允許使用揮發性差的液體石油作為試壓介質。 CSA Z662表8.1規定對于低蒸汽壓管道試壓壓力不低于1.25倍最大運行壓力（ MOP），允許使用氣體試壓；不管試壓介質是水還是氣體，均規定了最大試壓壓力，與其對輸氣管道的規定一致（見表4）。 GB50253-2014刪除了舊版在滿足一定條件時允許使用氣體試壓的規定，第9.2.8條規定一般地段的試壓壓力不低于設計壓力的1.25倍（人口稠密區為1.5倍），同時要求最大試壓壓力不得超過0.9SMYS。GB50253對于試壓介質的使用上，比北美的規定嚴格，最低試壓壓力與美國一致，但均低于CSA Z662的規定。另外， B50253-2014在最大和最低試壓壓力的規定上似乎存在矛盾。

7 管輸氣體加臭

GB50251、 ASME B31.8和CSA Z662均未對干線輸氣管道要求加臭， 49CFR 192第92.625條對氣體加臭做了規定：要求1976年12月31日以后，在三級、四級地區的干線輸氣管道必須對管輸氣體進行加臭，且加臭量應保證在20%LEL的濃度下可以用鼻子直接聞到，除非該區段下游管道的50%以上處于一級或二級地區。

8 結語

CFR、 ASME和CSA均有章節對管道運行環節提出了技術要求，如設備維護、腐蝕監測與控制、管道完整性管理、管道巡護、人員資質與技能、管道報廢等內容，關注管道的全生命周期，并對其中每一部分需要參照的其他相應標準做出了清晰的指引和要求，形成了清晰的樹形標準體系。國內油氣管道行業缺乏此類關注管道全生命周期的系統性標準， GB50253和GB50251僅是工程設計標準，關注面局限于設計，缺乏對全生命周期的考量，且與其他設計標準或施工標準形成多頭并列結構，缺少綱領性規范標準指引和串聯。

國內對于油氣管道的運行要求分散在其他推薦性的國家或行業標準里，規范約束性較差。而CFR、 ASME、 CSA均指出管道運行過程的技術要求與材料、設計、施工等建設環節是一個系統的整體，有機協調才能全方位的保證管道安全。建議我國在修訂標準時參考北美規范和技術標準，在技術規定的各個環節上考慮相互間的承接性和系統性，促進我國油氣管道標準技術水平的不斷提升。

（作者：宋飛，中國石油管道公司生產處副處長，高級工程師，現主要從事油氣管道運行管理工作。）

《管道保護》2016年第3期（總第28期）