ASMEB31.12标准在国内氢气长输管道工程上的应用

A S M E B 3 1 1 2标准在国内氢气长输管道 工程上的应用 张小强 ， 蒋庆梅 ( 中国石油天然气管道工程有限公司 ， 河北 廊坊0 6 5 0 0 0 ) 摘要： 氢气长输管道设计技术在 国外 已经十分成熟 ， 技术标准也相对完善， 但在国内却是空 白。介 绍 了国外氢气管道标准 A S ME B 3 1 1 2在 国内某氢 气长输管道工程的应用情况， 从管道选材、 管道 设计计算、 无损检测和压力试验 等方面介绍了 A S ME B 3 1 1 2标准的技术要求以及具体 应用情况 ， 为今后国内氢气长输管道 的建设可提供一定 的借鉴。 关键词： 氢气长输管道 ； A S M E B 3 1 1 2； 管道设计 中图分类号： T H1 2 2 ； T一 6 5 ； T Q o 5 5 8 文献标志码： B 文章编号 ： 1 0 0 1- 4 8 3 7 ( 2 0 1 5 ) l 1 0 0 4 7-0 5 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 5 1 1 0 0 8 App l i c a t i o n o f AS M E B3 1 1 2 i n a Do me s t i c Lo ng Di s t a n c e Hy d r o g e n P i p e l i n e P r o j e c t Z HA N G Xi a oq i a n g ， J I A N G Qi n g r n e i ( C h i n a P e t r o l e u m P i p e l i n e E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， L a n g f a n g 0 6 5 0 0 0 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： T h e d e s i g n t e c h n i q u e o f l o n g d i s t a n c e h y d r o g e n p i p e l i n e p r o j e c t i s v e r y ma t u r e a b r o a d ， a n d t h e t e c hn i c a l s t a n d a r d s i s c o mp r e h e n s i v e， b u t i t i s a b l a n k i n Ch i n a The a p p l i c a t i o n o f AS ME B3 1 1 2 i n a d o me s t i c h y d r o g e n p i p e l i n e p r o j e c t f r o m t h e p i p e ma t e ri a l ， p i p e d e s i g n c a l c u l a t i o n ， n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g a n d p r e s s u r e t e s t i n g wa s d e s c ribe d Th e s e r e q u i r e me n t s a n d a p p l i c a t i o ns c a n p r o v i d e a r e f e r e n e e f o r f ut u r e l o n g di s t a n c e h y d r o g e n p i p e l i ne c o n s t r uc t i o n i n Chi na Ke y wo r d s： l o ng d i s t a nc e h y d r o g e n p i p e l i n e； AS ME B3 1 1 2； p i p e l i ne d e s i g n 0 引言 使用管道对氢气进行 长距离输送 已有 6 0余 年的历史 J ， 在 发达 国家 已经具有一 定 的规模 。 1 9 3 8 年， 德国鲁尔建成最早的氢气长输管道， 其 总长达 2 0 8 k m。欧洲 大约有 1 5 0 0 k m 的低压 氢 气管道 ， 美 国现有 的氢气管道超 过 1 4 0 0 k m。世 界最长的氢气管道位于法国和 比利 时之 间， 长约 4 0 0 k m。2 0 1 4年 ， 中国建成 的最长氢 气长输 管 道巴陵 石 化 氢 气 长 输 管 道 ， 全 长 4 2 k m。 2 0 1 5年 ， 我 国又一 条氢气长输 管道 急需设计 施 工， 其主要功能是为石化行业加氢反应器提供氢 气原料 ， 为进一步扩大石化企业的产能提供基础 保障。 在国外 ， 氢气长输管道技术 已经十分成熟 ， 对 应的设计标准规范的研究也比较全面 ， 例如美国的 A S M E B 3 1 1 2 - 2 0 1 4 H y d r o g e n P i p i n g a n d P i p e - A S ME B 3 1 1 2标准在国内氢气长输管道工程上的应用 li n e s ) ( 以下简称 A S M E B 3 1 1 2 ) 、 欧洲的( H y d r o - g e n T r a n s p o r t a t i o n P i p e l i n e s ( 同 时 也 发 表 成 C G A G一 5 6 _2 0 0 5 H y d r o g e n P i p e l i n e S y s t e m s ) H ) 等标准。但是在国内， 还没有关于氢 气长输管道的设计标准规范 ， G B 5 0 2 5 1 -2 0 1 5 输 气管道工程设计规范 和 G B 5 0 1 7 7 -2 0 0 5 ( 氢气 站设计规范 也只能参照执行， 并不完全适用。 因此 ， 本次氢气长输管道设计施工主要按照 A S ME B 3 1 1 2 2 0 1 4 H y d r o g e n P i p i n g a n d P i p e l i n e s 执 行 ， 本文主要针对 A S M E B 3 1 1 2在 国内某氢气长 输管道工程中的执行隋况进行详细的论述 。 1 A S ME B 3 1 1 2简介 1 1 适用 范 围 A S ME B 3 1 1 2适用于氢气管道及配送系统 ， 主要包括设计 、 施工 、 维护等多方面 ， 可用于氢气 工业管道和长输管道 。 1 2主要 内容 A S ME B 3 1 1 2由四部分组成 ， 分别是通用要 求 、 工业管道、 长输管道和附录。 ( 1 ) 通用要求 。 本部分主要介绍标准的基本要求 、 定义和术 语 ， 主要 内容包括管道材料 、 焊接与热处理 、 检测 与检验 、 操作与维护 。 管道材料主要 包括碳 钢、 低合 金钢 、 中合金 钢 、 不锈钢 、 镍基合金 、 铝合金 和钛合金等。对 于 氢气长输管道 ， 管道材料基本全部选择碳钢 ， 管道 材料性能及制造标 准为 A P I S p e c 5 L r 。焊接 与 热处理部分主要对焊接与热处理的方法 、 步骤及 检验合格标准进行 了详细介绍 ； 检测与检验部分 主要介绍了检测与检验方法 、 要求 ； 最后一部分提 出了操作与维护 的各种注意事项 ， 包括常规操作 、 维护、 泄漏检查、 维修等。 ( 2 ) 工业管道。 工业管道部分主要针对的是氢气的工业应用 领域， 包括炼化、 加油站、 化工、 发电等。工业管道 与长输管道分属不 同的管道系统 ， 与本工程应用 无关 ， 本文不再详细说明。 ( 3 ) 长输管道。 长输管道部分主要针对管材选择 、 管道设计 、 管道敷设与测试 等方 面提 出了要求 ， 重点介绍 了 管材性能指标要求 、 管道线路地区等级划分标准 、 48 管材壁厚计算及设计系数选取、 管件设计与计算、 阀室设置、 管道敷设检验、 管道焊接与检验、 管道 清管试压干燥等。 ( 4 ) 附录。 附录是对标准的前三部分的补充说明。附录 的内容包括强制性 目录 9个 、 非强制性 目录 6个 。 主要包括地上氢气管道设备设计 、 A S ME引用标 准、 管道需用应力和质量因数等。 2 A S ME B 3 1 1 2标准的应用 2 0 1 5年 3月 ， 我国口径最大的氢气长输管道 开建 ， 全面进入施工建设期 ， 本文主要从 以下几个 方面介绍 A S ME B 3 1 1 2标准在该氢气长输管道 工程中的应用情况。 2 1 管材选择 A S ME B 3 1 1 2中将 可用 于氢气长输管道 的 材料分为两大类 ， 分别是 A S T M系列和 A P I 系列 ， 详见表 1 。同时， A S ME B 3 1 1 2中明确要求应用 表 1中所有材料 的管道最大输送压力 不能大于 3 0 0 0 p s i ( 2 0 6 8 5 MP a ) ， 除非材料在 氢气环境 中 的性能指标满足 A S M E B P V C o d e S e c t i o n D i v i s i o n 3 E s 3 A r t i c l e K D一1 0中的要求。另外 ， 对于 AS T M A 3 8 1 C l a s s Y一6 5和 AP I 5 L X 6 5 X7 0 X8 0 等材料 ， 管道 的最 大输送压力不能大于 1 5 0 0 p s i ( 1 0 3 4 MP a ) 。 表 1 氢气长输管道材料分类汇 总 标准名称 等级 A S T M A 5 3， A1 0 6， A1 3 5， A1 3 9， A3 3 3， A3 8 1 A P I 5 L A， B， X4 2， X5 2， X 5 6， X 6 0， X6 5， X7 0， X 8 0 同时， 在 A S M E B 3 1 1 2的附录 A中指出氢脆 现象对材料的强度十分敏感 ， 强度越高 、 氢脆越严 重 ， 所 以在选择材料时 ， 不仅要对材料的屈服强度 最低值提出要求 ， 还要对材料 的屈服强度上限值 加以要求 。附录 A 中还结合欧美地 区已建氢气 长输管 道 2 0多 年 的安 全 运 营情 况 ， 推荐 选 用 AS TM A 1 0 6 Gr a d e B， AS TM A53 Gr a de B， AP I 5L X 4 2和 A P I 5 L X 5 2等钢级。 结合 A S ME B 3 1 1 2中规定 的材料等级以及 氢脆 的特点 ， 最大 限度地降低 管道材料对氢的敏 感性 ， 在此次氢气长输管道工程中选取钢级较低 第 3 2卷第 1 1 期 压 力 容 器 总第 2 7 6期 的 A P I 5 L B级( P S L 2 ) 钢管 。 2 2 设计计算 A S ME B 3 1 1 2中管道壁厚计算公式如下 ： P = FE T 式 中P 设计压力 ， MP a s 材 料 屈 服 强 度 ，MP a ，按A S ME B 3 1 1 2 中表 I X一1 B选取 管道壁厚 ， mm D管道外径 ， mm 设 计 系数 ， 按 A S ME B 3 1 1 2 中表 P L一 3 7 1 1 和 表 P L一3 7 12 中选取 E 焊缝系数 ， 对于新建管道取 1 0 卜温度折减系数 ， 按 A S M E B 3 1 1 2中 表 P L一 3 7 1 3选取 日 厂一 材料性能系数 ， 按 A S ME B 3 1 1 2中 表 I X一 5 A选取 2 2 1 设计系数 在 A S ME B 3 1 1 2中， 给出了A B两组设计系 数供选择 ， 具体见表 2 。 表 2 设计 系数 F 分组 一级地区 二级地区 三级地区 四级地区 A组 O 5 O 5 O 5 O 4 曰组 O 7 2 0 6 0 5 0 4 A组是规范化 的设计 系数 ， 管道需按 照 A P I 5 L附录 G中的要求进行韧性试验 ， 要求夏 比冲击 试验剪切面积 3 个试样平均值不能低于 8 0 ( 全 尺寸试样) 或者 8 5 ( 非全尺寸试样) ， 或者落锤 试验剪切面积不小于 4 0 ， 且要求夏 比冲击功满 足下式的要求 ： C V N= 0 0 0 8 ( ) o - 式中c 一 全尺寸夏比冲击功 ， fil b 尺 管道半径 ， i n 卜管道壁厚 ， i n 设计压力条件下 的管道环 向应力 ， k s i 此组设计系数对管道韧性 的要求较 A P I 5 L 标准偏低 ， 按照 A P I 5 L标准生产的管道基本符合 要求。 B组是基于管道性能的设计 系数 ， 首先 ， 要求 管道满足 A P I 5 L P S L 2的相关要求 ； 其次， 要求置 于氢气环境 中的管道满足 A S ME B P V C o d e S e c t i o n D i v i s i o n 3 A r t i c l e K D一1 0中的相关要求 ； 最后 ， 还需要将置 于氢气 环境 中按 照 K D一1 0 4 0 测得 的管道材料 的 珊 值 ( 材料应力 强度门槛 因 子) 大于经过计算的 值 ( 材料应力强度应用因 子) 。此组设计系数是基于管道的实际性能开展 的， 在数值上与 A S M E B 3 1 8 _ 9 基本一致 ， 只是未 采用 A S ME B 3 1 8中一级地区一类区域的设计 系 数( 设计系数值为 0 8 ) 。 相 较 于 天 然 气 ， 氢 气 对 管 道 会 产 生 氢 损 伤 坨 。因此当选取 组设计 系数 时， 必须将 材料置于氢气环境 中进行性能测试 ， 当满足相关 要求时， 才可以按照天然气管道 的设计系数进行 设计计算。而 A组设计 系数未进行 相关 的性能 测试 ， 所 以以提高设计 系数来保证 管道 的安全。 日组设计系数相对 4组设计系数更加精确与节省 管材 ， 但是对材料的性能要求较高 ， 不易完全满足 要求。反之 ， A组设计系数相对保守一些 ， 但是操 作起来更加简捷 、 方便 。 2 2 2 材料性能系数 与 A S ME B 3 1 8相 比较 ， 材料性能系数 日， 是 A S ME B 3 1 1 2引入的一个新参数 ， 它与设计压力 和管道的屈服强度有关 ， 具体见表 3 。 表 3 材料性 能系数 管道设计压力 p s i g 屈服强度 k s i 1 0 0 0 2 O 0 0 2 2 0 0 2 4 0 0 2 6 0 o 2 8 0 0 3 0 o O 5 2 1 O 1 0 0 9 5 4 0 9 1 0 0 8 8 0 0 8 4 0 0 7 8 0 6 0 0 8 7 4 0 8 7 4 0 8 3 4 0 7 9 6 0 7 7 0 0 7 3 4 0 6 8 2 7 0 0 7 7 6 0 7 7 6 0 7 4 2 0 7 0 6 0 6 8 4 0 5 5 2 O 6 O 6 8 0 0 6 9 4 0 6 9 4 0 6 6 2 0 6 3 2 0 5 1 0 0 5 8 4 0 5 4 2 注 ： 处于表 中压力之 间的 系数 由插值计算得 出。 C P V T A S ME B 3 1 1 2标准在国内氢气长输管道工程上的应用 材料I 生 能系数也是为了防止氢气对管道产生氢 损伤而适当增加壁厚裕量设置的， 设计压力越高、 钢 级越高 ， 氢损伤越严重， 系数选取的越小 ， 管道壁厚 越大， 进而保证管道的安全。值得注意的是， 当选用 B组设计系数时， 材料性能系数可取 1 0 。 2 2 3 设计压力 在 A S ME B 3 1 1 2中， 明确规定设计压力不能 高于管道在工厂时试验压力的 8 5 ， 并且要求当 工厂试验压力产生的管道环 向应力低于管道屈服 强度的 8 5 时 ， 管道需进行工厂复验或者管道安 装后复验。如果复验压力大于原试验压力 ， 则设 计压力应不小于复验压力的 8 5 。 对设计压力 的规定是 A S ME B 3 1 1 2中特有 的， 在 G B 5 0 2 5 1 -2 0 1 5 中没有 此项要求 ， 其 目 的是进一步提高管道的安全。 2 2 4 小结 结合国内管道生产质量现状以及管道的安全 性 ， 在此次氢气长输管道 工程 中选取相对保守 的 A组设计系数 ， 材料性 能系数根据氢气 长输管道 工程的具体设计压力和钢级确定。 2 3无损检 测 A S M E B 3 1 1 2规定 ， 当管道在环 向应力不小 于管道最低屈服强度 2 0 的环境下运行时 ， 需对 焊接接头进行无损 检测。检测方 法包括射线 检 测 、 超声波检测、 磁粉检测或者其他合适的检测方 法。进行无损检测焊接接头的最低数量应为 1 类 地区的 1 0 、 2类地区的 1 5 、 3类地 区的 4 0 、 4类地区的 7 5 。对于穿越主要公路 、 铁路 以及 河流的管 道 ， 如 果 可 行 ， 则 需 进 行 焊接 接 头 的 1 0 0 检测 ， 但 在任何情 况下不允 许少 于焊 缝 的 9 0 。所 有 未 经 过试 压 的焊 接 接 头 均 应 进 行 1 0 0 检测。 A S M E B 3 1 8 中关 于无 损 检 测 的要 求 与 A S ME B 3 1 1 2基本一致 。G B 5 0 2 5 1 -2 0 1 5 输气 管道工程设计规范 规定 ， 对所有 焊接接头进行 1 0 0 无损检测， 首选射线和超声波， 焊缝表面可 用磁粉或液体渗透检测 。对焊接接头进行 1 0 0 超声波检测后 ， 应按一定 比例进行射线复测 ， 复测 比例为 1类地区的 5 、 2类地 区的 1 0 、 3类地 区的 1 5 、 4类地 区的 2 0 。对 于主要公路 、 铁 路 、 河流的管道焊接接头， 弯头与直管段焊接接头 以及未经试压 的管 道焊接接头 ， 均应进行 1 0 0 射线检测。 5 0 对 比以上的检测要求可以看 出， G B 5 0 2 5 l 一 2 0 1 5比 A S ME B 3 1 1 2要严格得多。结合本次氢 气长输管道工程施工现场的检测条件和水平 ， 选 用要求更加严格 的 G B 5 0 2 5 1 _2 0 1 5作为无损检 测的执行标准 。 2 4压 力试验 A S ME B 3 1 1 2规定 ， 管道需至少以最高允许 操作压力 1 5 0 的试 验压力进行 压力试验 ， 持续 时间至少为 2 h ， 试验介质建议用水 。对于高等级 道路 、 铁路等穿越区段 ， 需单独试压 ， 试压要求与 线路段相 同。处于 3 ， 4类地区的管道 ， 可 以采用 气体进行试压 ， 但是需要满足如下条件 ： 试压时最 大环 向应 力 在 3类地 区时不 大 于屈 服强 度 的 5 0 、 4类地区4 0 ； 同时要求管道的最大操作压 力不大于现场最大试验压力 的 8 0 ， 管道必须是 新管道 ， 且焊缝系数为 1 0 。 A S M E B 3 1 1 2中也规定管道需 进行泄漏试 验 ， 检查 出所有泄漏点 ， 试验 压力 、 试验时间未 明 确。如果管道以气体作为介质进行强度试验 ， 并 且环向应力超过屈服强度 的 2 0 时 ， 管道在进行 泄漏试验时需将压力 由 1 0 0 p s i 升至使 管道环 向 应力为屈服强度的2 0 的压力值 ， 并且升压时问 至少为 1 0 m i n ， 或者将压力升至使管道环 向应力 为屈服强度的 2 0 的压力值 ， 应用泄漏探测器对 管道全线进行泄漏检测 。 A S M E B 3 1 1 2中的强度压力试验压力值未按 地区等级区分 ， 全部是 1 5倍最大操作压力， 此项 要求 比 A S ME B 3 1 8和 G B 5 0 2 5 1 -2 0 1 5要严格。 所以本次氢气管道工程 的强度压力试验压力值按 此规定执行， 但 是持续时间采取 G B 5 0 2 5 1 -2 0 1 5 中的4 h 。A S ME B 3 1 1 2中对泄漏性试压未做明确 要求， 不易操作 ， 在本次氢气管道工程 中采用 G B 5 0 2 5 1 -2 0 1 5中的试压方法进行， 即在管道最大允 许操作压力条件下稳压 2 4 h ， 以不泄漏为合格。 3结语 ( 1 ) A S ME B 3 1 1 2是 国际上第一部关于氢气 管道 的标准 ， 适用范围比较广泛 ， 涵盖输送氢气的 工业管道和长输管道。 ( 2 ) 在管道材料选择方面 ， A S ME B 3 1 1 2作 出了严格的规定 ， 并且结合工程实际给出了推荐 管道材料。 第 3 2卷第 1 1期 压 力 容 器 总第 2 7 6期 ( 3 ) 在管道设计计算方面 ， A S ME B 3 1 1 2全 面考虑了氢气对管道 的损伤影响 ， 分别从材料性 能系数 、 设计系数等方面加 以限制 ， 以保证管道的 安全。 ( 4 ) 在管道检 测和试压 方面 ， A S M E B 3 1 1 2 与 A S ME B 3 1 8基本 一致 ， 相 对G B 5 0 2 5 1 -2 0 1 5 比较宽松 ， 国内的氢气长输管道工程建议参照 G B 5 0 2 5 1 -2 O 1 5执行。 参考文献 ： 1 沈显超 中美氢气标准对比分析 J 化工生产与技 术， 2 0 1 4 ， 2 1 ( 4 ) ： 5 2 5 4 2 A S ME B 3 1 1 2 -2 0 1 4 ， H y d r o g e n P i p i n g a n d P i p e l i n e s S 3 H y d r o g e n T r a n s p o r t a t i o n P i p e l i n e s S E u r o p e a n I n d us t r i a l Ga s e s As s o c i a t i o n， 20 0 4 4 C G A G一 5 6 2 0 0 5 ， Hy d r o g e n P i p e l i n e S y s t e m s S 5 G B 5 0 2 5 1 -2 0 1 5 ， 输气管道工程设计规范 S 6 G B 5 0 1 7 7 -2 0 0 5 ， 氢气站设计规范 S 7 A P I S P E C I F I C A T I O N 5 L ， F O R T YF I F T H E D I T I O N， 2 0 1 3 ， S p e c i f i c a t i o n f o r L i n e P i p e S AS ME B o i l e r& P r e s s u r e Ve s s e l C o d e， Di v i s i o n 3 Al t e r n a t i v e Ru l e s f o r C o n s t r u c t i o n o f HIig h P r e s s u r e Ve s s e l s ， R u l e s for C o n s t r u c t i o n o f P r e s s u r e Ve s s e l s S 2 0 1 0 AS ME B 3 1 8 _ 2 01 4 Ga s T r a n s mi s s i o n a n d Di s t r i b u - t i o n P i p i n g S y s t e ms S 蒋庆梅， 张小强 氢气与天然气长输管道线路设计 A S M E 标准对比分析 J 压力容器， 2 0 1 5 ， 3 2 ( 8 ) ：4 4 4 9 何仁洋， 栾湘东， 张庆春 ， 等 压力管道安全完整性 技术法规与标准体系研究 J 压力容器 ， 2 0 1 2 ， 2 9 ( 7 ) ： 4 4 5 0 王金富 制氢装置管道材料 的选用 J 石油化工 腐蚀与防护， 2 0 0 4 ， 2 1 ( 3 ) ： 1 9 2 2 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 81 1 作者简介： 张小强( 1 9 8 5一) ， 男 ， 工程师， 主要从事油气长 输管道设