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《输油管道工程设计规范》GB50253-2014相关条款修订说明

来源:《管道保护》杂志 作者:张振永 时间:2018-7-12 阅读:

1 前言

根据住房和城乡建设部关于工程建设标准制修订要求(建标[2011] 17号),输油管道工程设计规范编制组于2011年开始了输油管道工程设计规范的修订工作。在修订过程中,标准编制组进行了广泛调查研究,认真总结了近十年的工程建设经验, 并参考了美国ASME B31.4、加拿大CSA Z662和国际ISO 13623等国外先进标准,在广泛征求意见和多次专家研讨、标准审查的基础上,历时3年, 完成了对标准的修订。新版标准GB 50253-2014已于2015年4月1日正式发布实施。与GB 50253-2003 (2006年版)相比,本版标准在8个方面进行了较大修订,如根据国家现行法律、法规的要求修订所涉及的条文,规定了输油管道工程与上下游相关企业及设施的界面划分范围,以及补充修订有关管道并行敷设的相关规定等,具体在新版标准的前言中有详细陈述。

输油管道作为线性工程,途经区域广泛,在建设中与地方城镇、交通、水利、矿产资源以及环境敏感区等方面的协调工作量较大,涉及多方利益,尤其是管道的安全,更是各方关注的焦点。为增强管道本质安全,以便为沿途公众及建(构) 筑物提供安全保障,新标准从管道的选线、与建(构)筑物的间距、管道选材及壁厚设计、无损检测和管道试压等多方面进行了修订。为更好地推动新版标准的应用,本文结合管道失效及防护分析作进一步的说明。

2 输油管道的失效分析

造成输油管道事故的原因主要有第三方破坏、腐蚀、材料和施工、管道应力腐蚀、自然原因造成的地质灾害和其他未知因素。根据国外统计数据,输油管道平均失效频次约为0.46×10-4 次/(km•),根据管道的失效原因和失效频次,对不同数据来源的管道失效原因所占频次进行统计, 显见第三方破坏和管道内外腐蚀为主要因素。

2006 年,中国石油开始对管道实施完整性管理, 根据国内统计的管道失效数据,管道的主要失效原因依次为外力破坏、腐蚀、制造缺陷、自然灾害、误操作和其他原因,总体趋势与国外EGIG 统计结果一致。

图1 国内外输油管道失效数据统计分布图

3 输油管道的失效类型及减缓措施

3.1 管道失效类型

国内外的实践表明,埋地管道的主要失效原因为外力破坏和管道腐蚀,二者占到总失效数的近70%左右。管道的外力破坏主要是受第三方施工时机械挖掘碰撞管道造成的破坏,挖掘碰撞管道造成的失效类型可分为管道刺穿、管道爆裂、大孔泄漏和管道破裂。当挖掘机作用力大于管道抗力时,挖掘机的斗齿将刺穿管道整个壁厚,导致管道发生泄漏;若挖掘机斗齿未能刺穿管壁而形成划痕,当划痕的长度和深度到达一定程度时,管道承压能力不足,将会造成管道爆裂,爆裂后根据缺陷是否发生失稳扩展,又将导致大孔泄漏或管道破裂。

管道腐蚀造成的失效类型有小孔泄漏、管道爆裂、大孔泄漏和管道断裂,其中管道爆裂是指管道腐蚀到一定程度,虽然深度方向尚未贯穿管道壁厚,但由于管道壁厚的减薄,造成承压能力小于输送介质内压,致使管道发生爆裂,缺陷将贯穿整个壁厚。如果腐蚀缺陷的长度达到一定程度,则管道缺陷沿轴线方向将发生失稳扩展,导致管道发生破裂;如果腐蚀缺陷长度较小,则缺陷不会扩展,将发生大孔泄漏。

3.2 减缓措施

管道的第三方挖掘破坏失效概率与机械挖掘碰到管道概率及挖掘设备碰到管道后造成管道失效的概率有直接关系。要减小管道第三方挖掘破坏失效概率,一是要降低管道周围施工挖掘碰撞管道的可能;二是机械设备碰撞管道后管道要有足够的抗力,能够承受设备的撞击而不失效。机械挖掘碰到管道的概率与机械在管道上方挖掘活动的频率、第三方未发现管线地面标志、第三方选择不予通告、巡线人员未发现第三方开挖活动以及开挖深度超过管线埋深等十二个基本事件有关,通过基本事件的演绎逻辑和故障树分析计算,可计算管道遭受机械开挖碰撞的概率。通过分析,适当增加管道的埋深、增设地面表面标识、在管顶上方铺设警示带和加大巡线频次,可有效降低管道遭受机械开挖碰撞的风险。对于管道遭受机械挖掘碰撞后是否失效, 与管道的壁厚、管材的抗拉强度等力学性能有直接关系,通过计算分析,管道的壁厚对提高管道遭受破坏的抗力有显著关系,提高壁厚可明显降低管道破坏失效的风险。

对于管道的腐蚀,与管道埋地后的防腐层破损点密度、管道在埋地环境下的腐蚀速率、内检测周期,以及管道壁厚和管材性能等有直接关系。采用性能优异的防腐层和管沟内回填细土,可有效降低防腐层的破损点。保持管道阴极保护正常运行, 可明显降低管道的腐蚀速率。增加壁厚和提高管道的材料性能,可有效提高管道存在腐蚀缺陷下失效的抵抗能力。

对于管道在腐蚀、第三方挖掘破坏、管体焊缝缺陷和地面位移条件下的管道失效,通过研究发现,增加管道壁厚和提高管材强度水平对管道抵抗各种破坏的能力有明显好处,具体见图2。

管道的材料和施工方面存留缺陷造成的管道失效,主要是指钢管在钢管厂内进行焊接和现场环焊缝焊接时存留的焊接超标缺陷。为保证这些钢管焊缝和现场环焊缝的质量,工程中均要求进行100%射线或100%超声探伤,以便检查管体焊缝和环焊缝是否存在不合格缺陷。另外,在工程投产前还要进行管道的强度试压和严密性试压。管道试压的目的,一是检验管道的整体强度,检验其是否能够承受以后的运行压力;二是为以后提高管道输量,增加管道输送能力提供依据。强度试压主要是在高试验压力水平下暴露更小的缺陷或缺陷不稳定增长造成的管道破裂;严密性试压主要是在较低的试验压力下暴露那些不发生扩展的稳定缺陷(一般为小孔泄漏)。根据试压的目的不同,管道的试验压力和所需稳压时间亦不同。当缺陷尺寸一定时,管道试验压力越高,越容易暴露缺陷。国外曾对已建管道试验压力与暴露缺陷数量做过大量统计研究,表明暴露缺陷的数量与管道试压水平有直接关系,暴露缺陷最多的试验压力为名义最小屈服强度的90%~110%。以国内某工程为例, 管径D1219mm、钢级X80M、壁厚为16.5mm ,设计压力为12MPa,强度试验压力分别取13.5MPa、15 MPa、15.78MPa,对应产生的环向应力分别为90%SYMS、100%SYMS和105%SYMS。根据计算分析,可以得出:不同的试验压力所对应的容许缺陷值不同,随着试验压力的提高,容许的缺陷尺寸相应降低;试验压力从13.5MPa提升至15MPa和15.78MPa,明显可以暴露更多的缺陷。

图3 管道强度试验压力与容许缺陷的关系

4 标准相关条文的修改说明

(1)GB50253-2003(2006年版)(以下简称原标准)4.1.3条规定:“输油管道不得通过城市水源区、工厂、飞机场、火车站、海(河)港码头、军事设施、国家重点文物保护单位和国家级自然保护区。当输油管道受条件限制必须通过时,应采取必要的防护措施并经国家有关部门批准”。GB50253-2014(以下简称现标准)4.1.3条规定: “管道不应通过饮用水水源一级保护区、飞机场、火车站、海(河)港码头、军事禁区、国家重点文物保护范围、自然保护区的核心区”。

修订原因:国家《饮用水水源保护区污染防治管理规定》规定:“饮用水地表水源一级保护区内禁止新建、扩建与供水设施和保护水源无关的建设项目;饮用水地下水源一级保护区内禁止输送污水的渠道、管道及输油管道通过”。《中华人民共和国自然保护区条例》规定:“在自然保护区的核心区和缓冲区内,不得建设任何生产设施。在自然保护区的实验区内,不得建设污染环境、破坏资源或者景观的生产设施”。《中华人民共和国军事设施保护法》规定:“军事设施是指国家直接用于军事目的的下列建筑、场地和设备,包括指挥机关、地面和地下的指挥工程、作战工程;军用机场、港口、码头;营区、训练场、试验场;军用洞库、仓库;军用通信、侦察、导航、观测台站和测量、导航、助航标志;军用公路、铁路专用线,军用通信、输电线路,军用输油、输水管道;国务院和中央军事委员会规定的其他军事设施”。可见军事设施非常广泛,不但包括一些点状工程,还包括一些军用公路、铁路、通信、输电、输水、输油等线性工程。

原标准对于这些内容的规定,一些是法律法规禁止的行为,标准采用了“不得通过”的规定, 但后面又规定了“当条件受到限制时,应采取保护措施并经国家有关部门批准”,条文表述不够严谨。另外,对于一些非法律禁止的行为,如穿越军事设施中的军用公路、铁路、通信、输电、输水、输油等线性工程,条款中也规定“不得通过”,管道建设中很难完全避让开这些线性的军事设施,因此要求过于严格,不符合实际。鉴于上述情况,综合相关的法律、法规和标准规范要求,并结合多年的工程实践,现标准对该条内容重新进行了规定。

(2)原标准4.1.5条变成现标准4.1.6条,主要内容调整如下:

①原标准4.1.5条第1款规定:“原油、C5及C5 以上成品油管道与城镇居民点或独立的人群密集的房屋的距离,不宜小于15m”。现标准4.1.6条第1 款规定:“原油、成品油管道与城镇居民点或重要公共建筑的距离不应小于5m”。

修订原因:原标准对于管道与城镇居民点或独立的人群密集的房屋的距离要求,主要是参照了美国交通运输部的法规性文件《液体管道联邦最低安全标准》195.210条中规定的相关内容:对于埋地原油、成品油管道与城镇居民点或独立人群密集房屋的间距要求不宜小于15m,受地形限制采取措施后,可允许缩小间距,但不宜小于8m。由于标准中无论对于15m,还是8m的间距要求都是采用的“不宜”用语,在标准的使用中大家理解不统一,执行过程中容易突破下限,不利于管道保护。另外,该间距要求也与目前的管道保护法要求不一致。对于上述间距要求及存在的问题,编写组在现标准编制过程中,通过大量调查、研究后认为:

● 欧美ASME B31.4、CSA Z662和ISO 13623 等有代表性的输油气管道技术标准对管道与上述建(构)筑物的间距要求均没有明确规定;

● 我国管道保护法规定“管道线路中心线两侧各5米地域范围内不能修建建(构)筑物”,主要是考虑满足管道运行维护的要求和避免周围第三方施工对管道造成的损伤。

● 对于输油管道的安全,主要是通过采取合理的设计系数来控制管道自身安全,以对周围建(构)筑物提供安全保证,国内外的研究和工程经验表明,适当提高管道壁厚和加大管道埋深,可以显著提高管道抵抗第三方挖掘施工带来的误伤害能力。

●《液体管道联邦最低安全标准》195.210规定:选择的管道作业带应尽可能避开包含私人住所、工业建筑和公众集会的地方;如管道的埋深无法保证大于305毫米,则管道距离私人住宅、任何工业建筑或公共集会场所不得小于15米。原标准规定,管道的埋深一般要求不小于0.8米,可见在参考《液体管道联邦最低安全标准》195.210规定间距时偏于保守。

● 国内管道建设通道获得困难,管道建设与沿线地方用地矛盾日益突出。

综合上述因素,现标准将该条款修订为“管道与城镇居民点或重要公共建筑的距离不应小于5m”,与管道保护法要求保持一致,同时该条被划为强制性条款。另外,为确保这些重要地段的管道安全,现标准的5.2.1条、9.1.8条、9.2.8条分别对管道的设计系数、无损探伤和试压提高了要求,相比原标准要求更加合理、措施更加周密。

②原标准4.1.5条第3款规定:“原油、液化石油气、C5及C5以上成品油管道与高速公路、一二级公路平行敷设时,其管道中心距公路用地范围边界不宜小于10m,三级及以下公路不宜小于5m”。现标准4.1.6条第4款规定:“输油管道与公路并行敷设时,管道应敷设在公路用地范围边线以外,距用地边线不应小于3m。如受制于地形或其他条件限制不满足本条要求时,应征得公路管理部门的同意”。

修订原因:原标准对于管道同公路并行敷设时的间距要求,根据的是1978年石油工业部与交通部制定的《关于处理石油管道和天然气管道与公路关系的若干规定(试行)》。这两个规定制定时间较早,至今一直没有更新,目前可操作性较差。2011年7月1日起施行的《公路安全保护条例》规定,公路建筑控制区的范围为从公路用地外缘起向外的距离标准为:高速公路不少于30米,国道不少于20米,省道不少于15米,县道不少于10米,乡道不少于5米;对于控制区范围内,明确规定禁止修建建筑物和地面构筑物,但没有禁止修建埋地管道。

目前国内建设管道走廊越来越受限制,为尽量避免对沿途地方规划和用地的影响,很多地方规划部门明确要求管道要沿已有道路敷设并尽量埋设在其建筑控制区范围内。对于这种情况,管道建设单位需向公路管理部门提出申请,并沟通协商确定。结合上述情况,并总结多年国内管道的建设实践,提出了该规定。

③原标准4.1.5条第4款规定:“原油、C5及C5 以上成品油管道与铁路平行敷设时,管道应敷设在距离铁路用地范围边线3m以外”。现标准4.1.6条第3款规定:“输油管道与铁路并行敷设时,管道应敷设在铁路用地范围边线3m以外,且原油、成品油管道距铁路线不应小于25m,液化石油气管道距铁路线不应小于50m。如受制于地形或其他条件限制不满足本条要求时,应征得铁路管理部门的同意”。

修订原因:原标准对于该款的规定是根据1987年由石油工业部、铁道部制订的《原油、天然气长输管道与铁路相互关系的若干规定》中的相关要求,该规定至今一直没有更新,目前可操作性较差。现行《铁路工程防火设计规范》(TB10063- 2007)3.1.5 条规定:“输送甲、乙、丙类液体的管道和可燃气体管道与铁路平行埋设或架设时, 与邻近铁路线路的防火间距分别不应小于25m和50m,且距铁路用地界不小于3.0m”。结合此要求,标准修订中对此项规定进行了调整,以便与TB10063-2007规定相协调。

④原标准4.1.5条第7款规定:“液态液化石油气管道与城镇居民点、公共建筑的距离不应小于75m”。现标准4.1.6条第6款规定:“液化石油气管道与城镇居民点、重要公共建筑和一般建(构) 筑物的距离应符合《城镇燃气设计规范》(GB 50028)有关规定”。

修订原因:原标准对于液化石油气管道与城镇居民点、重要公共建筑和一般建(构)筑物的距离要求参照的是《城镇燃气设计规范》(GB 50028- 1998)的有关规定,现行《城镇燃气设计规范》(GB 50028-2006)对于这些间距要求有了较大调整,与原标准相比间距均有所减小。标准修订中对于这些具体间距不再进行摘录,改为直接引用《城镇燃气设计规范》(GB 50028)。

(3)原标准5.2.1条规定,输油站外一般线路段管道许用应力计算设计系数取0.72。现标准规定,输油站外一般线路段管道设计系数取0.72,城镇中心区、市郊居住区、商业区、工业区、规划区等人口稠密地区管道设计系数取0.6;输油站内与清管器收发筒相连接的干线管道设计系数取0.6。

修订原因:本条增加了安全余量。其中设计系数的选取参考了美国现行标准ASME B31.4的相关规定,本次修改中增加了城镇中心区、市郊居住区、商业区、工业区、规划区等人口稠密地区设计系数取0.6的规定。这主要是考虑到近年来输油管道沿线情况越来越复杂,通过人口密集地段,两侧建(构)筑物相邻较近,人文活动相对频繁,管道面临第三方破坏风险增加,同时管道一旦破坏发生泄漏,后果影响较大,因此对于这些地段要求采用相对较低的设计系数,提高壁厚,可以明显降低管道的各种失效风险(如腐蚀、第三方挖掘破坏等)。

对于输油站内与清管器收发筒相连接的管道按照线路段设计,原标准中没有明确,本次修订中参照了壳牌DEP 31.10.00.10-Gen的相关条款,并结合国内多年的实践经验,明确规定设计系数取0.6。

(4)原标准5.1.8条第3款规定,采用超声波探伤时,对通过居民区、工矿企业的,应进行100% 射线探伤检验;对于采用射线检验的,没有要求再进行超声波探伤。现标准规定,通过居民区、工矿企业应进行100%射线和超声波探伤检验。

修订原因:射线探伤和超声波探伤的机理不同,在探伤上各具特点。射线一般对气孔、夹渣等体积性缺陷较为敏感,检出率高;超声波探伤对裂纹、未熔合、未焊透等面状缺陷敏感,检出率要高。由于两者具有较好的互补性,考虑到居民区、工矿企业等地段的重要性,现标准明确规定要进行双百检测,规定要严于原标准。

(5)原标准 9.2.7条对管道的试压提出了要求,没有明确规定人口密集地段的试压要求。现标准在9.2.8条中明确规定,在人口密集区强度试验压力不小于1.5倍的设计压力。

修订原因:现标准5.2.1条、5.1.8条在分别规定人口密集区采用0.6设计系数和进行双百探伤的基础上,进一步规定采用较高的强度试验压力,以便在管道投运前充分暴露管道缺陷,为管道正式运行留有充足的安全裕度。◢

(作者:张振永,中国石油天然气管道工程有限公司,主任工程师、高级工程师;中国石油天然气管道局管道设计院高级技术专家 )

《管道保护》2015年第4期总(23)

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