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1、寒冷地区埋地输气管道最低设计温度选取张小强;蒋庆梅【摘要】 In order to ensure the crack arrest performance of China-Russia Eastern Natural Gas Pipe-line in cold regions,the minimum design temperature of pipelines should be clarified.However,un-til now the minimum design temperature of pipelines is not determined in domestic bur
2、ied gas transpor-tation pipeline project designing. Through the interpretation and analysis of main standards for gas transportation pipelines at home and abroad and typical gas transportation pipeline projects in cold re-gions abroad, and combined with the characteristics of buried gas transportati
3、on pipelines in cold re-gions of our country, it is recommended that the minimum design temperature of buried gas transpor-tation pipelines should be 0 C (when pipelines are buried below the permafrost line) and the minimum value of the geotemperature in the single day of the coldest month with roun
4、ding downwards to a mul-tiple of 5 C (when pipelines are buried above the permafrost line). It is suggested that the minimum design temperature of buried pipelines of China-Russia Eastern Natural Gas Pipeline Project should be -5 C. The principle of certainty, method and recommended value of the min
5、imum design tem-perature are proposed,which provides certain references for future project construction.%为了有效保证中俄东线天然气管道在寒冷地区的止 裂性能，需要明确管道的最低设计温度,而到目前为止，在国内埋地输气管道工程设计 中对管道的最低设计温度未进行确定.通过对国内外主要输气管道标准和国外寒冷 地区典型输气管道工程的解读与分析，同时结合我国寒冷地区埋地输气管道的特点, 推荐埋地输气管道最低设计温度选取0C（管道埋设于冻土线以下）和管顶埋深处最 冷月单日最低地温值并向下圆整至5的倍数（
6、管道埋设于冻土线以上）.建议中俄东 线天然气管道工程线路埋地管道最低设计温度选取-5C.提出最低设计温度的确定 原则、方法和推荐值，为今后的工程建设提供一定的借鉴与参考.【期刊名称】油气田地面工程 【年（卷），期】2017（036）012 【总页数】4页（P30-33） 【关键词】寒冷地区;埋地输气管道;中俄东线天然气管道;最低设计温度;冻土线 【作者】张小强;蒋庆梅【作者单位】中国石油管道局工程有限公司;中国石油管道局工程有限公司【正文语种】中文 随着管道建设的发展，通过寒冷地区（尤其是我国东北和西北地区）的输气管道越 来越多，低温条件下管道产生裂纹的可能性也大大增加。为了保证管道在低温环境
7、 中长期服役的安全性，管道在设计时必须考虑管道裂纹失稳扩展的控制，要求管道 母材有足够的阻止裂纹快速扩展的能力1。管道断裂可以分为脆性断裂和韧性断裂两种。就脆性断裂而言，随着冶金技术水平 的提高，在我国这样的气候条件下，一般不具备发生脆性断裂的条件2。但当管 道的CVN值较低时，管道易发生韧性断裂3，要防止管道韧性断裂的发生，需要 对管材的韧性提出更高的要求4,同时，所有关于钢管的韧性试验温度及参数指 标的确定均需要管道的最低设计温度作为依据。但是，目前国内外输气管道的相关 标准、规范仅给出了最低设计温度的定义和原则要求，如何取值却不明确。为了保 障寒冷地区输气管道的安全运行，方便钢管韧性试验
8、温度及指标参数的确定，开展 了对寒冷地区输气管道最低设计温度选取的探讨，提出最低设计温度的确定原则、 方法和推荐值，为今后的工程建设提供一定的借鉴与参考。针对国内外输气管道规范标准对输气管道最低设计温度的定义进行了系统的总结与 解读，详细描述如下。我国规范输气管道工程设计规范(GB 502512015)5指出，设计温度是 指管道在正常工作过程中，在相应设计压力下管壁或元件金属可能达到的最高或最 低温度。该规范对管道的正常工作并未明确界定，例如计划停输算不算正常工作， 因此，该规范无法明确最低设计温度的选取。美国规范输气和配气管道系统(ASME B31.82014)6中定义，最低设计 温度是指运
9、行期间材料的最低预期温度。此定义明确最低设计温度是管道服役期间 材料的最低预期温度，即不包括施工阶段等。虽然最低设计温度的选取不考虑施工 等阶段，但是对于施工、开停车等阶段低于设计温度的情况设计和操作时需采取保 护或限制措施。加拿大规范石油和天然气管道系统(CSAZ 6622011)7中对最低设计温 度的定义是：针对缺口冲击韧性的最低设计温度应等于或低于在试压和设计条件下 运行并且环向应力超过50 MPa时最低预期金属温度。该最低设计温度需要考虑 到以往的温度记录数据、可能发生的最低流体温度，以及可能的较低的大气和地面 温度的影响。该定义明确最低设计温度是最低预期金属温度，需要考虑以往的温度
10、记录、流体温度、环境温度等。此温度是在试压或服役(在设计条件下)阶段并且 管道环向应力大于50 MPa条件下的最低金属温度，不包括管道施工阶段。澳大利亚规范油气管道(AS 2885.12012)8第1部分设计与施工”中， 管道设计温度的选取要考虑下列条件：断裂控制；材料强度；涂层的性能；应力腐蚀开裂；流体相变；在降压、再加压及试运转过程中引起的温度变化; 与操作条件有关的温度变化(例如使用MLV旁通阀节流引起的临时压降)； 应力分析。应考虑安装、运行和维护过程中对温度变化的影响，如果可以的话，需 要详细说明、规定温差。可能需要特别考虑由于压降、压缩或相变引起的流体温度 的改变。该规范未明确定义
11、最低设计温度，仅仅明确了选取设计温度时需要考虑的 诸多因素，例如断裂控制、材料强度、压力变化、环境等。俄罗斯规范干线管道规范汇编(Cn 36.13330.2012 )9中将设计温度定义 为：管道运行过程中管壁的最高或最低温度，应根椐输送产品、土壤和外部空气的 温度、风速、太阳辐射，以及管道与周围环境的热力相互作用来确定。该规范指出 管道运行过程中管壁的最高或最低温度应根据输送产品、土壤、环境条件等确定， 未明确说明需要考虑施工。英国规范管道实用规程(BSPD 8010-12004 )10第 1部分陆上钢质管 道”中要求：在确定设计温度时，应考虑由压力变化和极端环境引起的温度变化， 但是不包括断
12、裂或紧急放空情况。从以上内容来看，各个标准对管道设计温度的定义不尽相同，但是包含了线路管道 和工艺管道等内容。对于线路埋地管道而言，对设计温度的定义本质是一样的，即 最低设计温度或最低金属温度是用于确定材料的低温性能指标。预期最低金属温度 的工况为管道运行中、带压条件下，一般不考虑施工等工况。俄罗斯的博瓦年科沃-乌赫塔输气管道(简称博乌管道)线路长1 106 km,其中 有相当长的管道敷设在冻土地区，其特点是管道在埋设深度上存在零度以下的低温。 通过查阅相关气象资料得知，博乌管道埋深处土层的最低地温为-10.31。为保证 管道经过上述冻土区域不发生融沉等现象，该段区域内的输送介质全年保持在负温
13、 度下运行，从开始的2C到末端的-20C设计师将管道的最低设计温度选取为输 送介质或外界环境的较低温度，即-20C。Alliance联盟管道是美国和加拿大合建的北美最大的输气管道系统，起始于加拿大 不列颠哥伦比亚东北区，终止于美国芝加哥。加拿大段的最低设计温度为-5C, 为了确定最低设计温度，Alliance公司整理了从加拿大环境部门获得的自1964年 以来的沿线位置的温度数据。这些数据表明，在150 cm的土壤深度处，日最低温 度不会低于-5C。该公司还提供了每个地点在150 cm的土壤深度处的7个最冷 日的每日最低温度的平均值。加拿大Trans Canada （ TCPL ）公司质疑，指出
14、根 据记录在某地1975年冬季，埋深为1 m处的最低温度可低于-6.7C。Alliance 公司提出该公司管道的管沟深度为2m，以保证管道埋深处温度不会低于最低设 计温度（-5C）。经过对上述两个国外典型工程案例进行分析，发现俄罗斯博乌管道对线路埋地部分 的最低设计温度选取原则与其相应的标准是一致的（管道最低温度应根据输送产品、 土壤、环境条件等确定），综合对比后将温度输送介质的最低温度（-20C ）选定 为管道的最低设计温度。同理，Alliance联盟管道也是按照相应的标准要求，将埋 地管道的最低设计温度选定为输送介质和环境土壤之中较低的环境土壤温度并适当 向下圆整（-5C）。通过对各国标准
15、规范的解读和典型工程案例的分析，初步得出埋地管道最低设计温 度为输送介质和环境土壤温度之间的较低者。根据上述分析并结合我国寒冷地区的 实际情况，埋地输气管道最低设计温度的选取原则如下：（1）埋设在冻土线以下。管道埋地敷设时，管壁温度除了与输送介质温度相关外 还与埋地深度关系较大。当管道埋设在冻土线以下时（管顶位于冻土线以下），因 土壤温度不会低于0C,而天然气管道输送温度通常不会低于0C,所以，无论输 量、输送温度大小，以及是否停输，管壁达到的最低温度不会低于0C,因此管道 埋深在冻土线以下时最低设计温度按照0C取值。如果特殊工况输送介质温度低于 0C,此时管道的最低设计温度将综合考虑各种影响
16、因素后再确定。（2）埋设在冻土线以上。当冻土深度过大时，如果将管道埋设于冻土线以下就会 造成土石方过大，施工困难，以及工程投资增大的情况，则需要部分管段敷设于冻 土线以上。在不停输状态下，无论输送介质温度如何，管壁温度最终将会达到地温进入平衡状 态，所以在不停输时建议最低设计金属温度取管顶埋深处最冷月单日最低地温值并 向下圆整至5C的倍数。通过查询相关资料，我国高寒地区（东北、西北、青藏） 地下1.6 m深处土壤最低温度一般不会低于-5C,所以为了工程应用方便和统一 要求，最低设计金属温度可取-5C，对于个别超过-5C的地段，可采取加大埋深 处理。停输时，虽然管道介质温度下降会增快，但是最终也会达到与地温平衡，所 以最低设计温度也可取-5C。对于即将建设的中俄天然气管道工程，管道经过我国东北寒冷地区，部分管道将埋 设于冻土线以上。针对埋设于冻土线以上和冻土线以下的管道，最低设计温度的选 取
