ASME B31.12標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)內(nèi)氫氣長(zhǎng)輸管道工程上的應(yīng)用

張小強(qiáng)，蔣慶梅

（中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊　065000）

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

ASME B31.12標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)內(nèi)氫氣長(zhǎng)輸管道工程上的應(yīng)用

張小強(qiáng)，蔣慶梅

（中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000）

氫氣長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)十分成熟，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也相對(duì)完善，但在國(guó)內(nèi)卻是空白。介紹了國(guó)外氫氣管道標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.12在國(guó)內(nèi)某氫氣長(zhǎng)輸管道工程的應(yīng)用情況，從管道選材、管道設(shè)計(jì)計(jì)算、無(wú)損檢測(cè)和壓力試驗(yàn)等方面介紹了ASME B31.12標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求以及具體應(yīng)用情況，為今后國(guó)內(nèi)氫氣長(zhǎng)輸管道的建設(shè)可提供一定的借鑒。

氫氣長(zhǎng)輸管道；ASME B31.12；管道設(shè)計(jì)

0　引言

使用管道對(duì)氫氣進(jìn)行長(zhǎng)距離輸送已有60余年的歷史［1］，在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)具有一定的規(guī)模。1938年，德國(guó)魯爾建成最早的氫氣長(zhǎng)輸管道，其總長(zhǎng)達(dá)208 km。歐洲大約有1500 km的低壓氫氣管道，美國(guó)現(xiàn)有的氫氣管道超過(guò)1400 km。世界最長(zhǎng)的氫氣管道位于法國(guó)和比利時(shí)之間，長(zhǎng)約400 km。2014年，中國(guó)建成的最長(zhǎng)氫氣長(zhǎng)輸管道——巴陵石化氫氣長(zhǎng)輸管道，全長(zhǎng) 42 km。2015年，我國(guó)又一條氫氣長(zhǎng)輸管道急需設(shè)計(jì)施工，其主要功能是為石化行業(yè)加氫反應(yīng)器提供氫氣原料，為進(jìn)一步擴(kuò)大石化企業(yè)的產(chǎn)能提供基礎(chǔ)保障。

在國(guó)外，氫氣長(zhǎng)輸管道技術(shù)已經(jīng)十分成熟，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究也比較全面，例如美國(guó)的ASME B31.12—2014《Hydrogen Piping and Pipe-lines》［2］（以下簡(jiǎn)稱(chēng)ASME B31.12）、歐洲的《Hydrogen Transportation Pipelines》［3］（同時(shí)也發(fā)表成CGAG-5.6—2005《HydrogenPipeline Systems》［4］）等標(biāo)準(zhǔn)。但是在國(guó)內(nèi)，還沒(méi)有關(guān)于氫氣長(zhǎng)輸管道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］和GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］也只能參照?qǐng)?zhí)行，并不完全適用。因此，本次氫氣長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)施工主要按照ASME B31.12—2014《Hydrogen Piping and Pipelines》執(zhí)行，本文主要針對(duì)ASME B31.12在國(guó)內(nèi)某氫氣長(zhǎng)輸管道工程中的執(zhí)行情況進(jìn)行詳細(xì)的論述。

1　ASME B31.12簡(jiǎn)介

1.1適用范圍

ASME B31.12適用于氫氣管道及配送系統(tǒng)，主要包括設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等多方面，可用于氫氣工業(yè)管道和長(zhǎng)輸管道。

1.2主要內(nèi)容

ASME B31.12由四部分組成，分別是通用要求、工業(yè)管道、長(zhǎng)輸管道和附錄。

（1）通用要求。

本部分主要介紹標(biāo)準(zhǔn)的基本要求、定義和術(shù)語(yǔ)，主要內(nèi)容包括管道材料、焊接與熱處理、檢測(cè)與檢驗(yàn)、操作與維護(hù)。

管道材料主要包括碳鋼、低合金鋼、中合金鋼、不銹鋼、鎳基合金、鋁合金和鈦合金等。對(duì)于氫氣長(zhǎng)輸管道，管道材料基本全部選擇碳鋼，管道材料性能及制造標(biāo)準(zhǔn)為APISpec 5L［7］。焊接與熱處理部分主要對(duì)焊接與熱處理的方法、步驟及檢驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹；檢測(cè)與檢驗(yàn)部分主要介紹了檢測(cè)與檢驗(yàn)方法、要求；最后一部分提出了操作與維護(hù)的各種注意事項(xiàng)，包括常規(guī)操作、維護(hù)、泄漏檢查、維修等。

（2）工業(yè)管道。

工業(yè)管道部分主要針對(duì)的是氫氣的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，包括煉化、加油站、化工、發(fā)電等。工業(yè)管道與長(zhǎng)輸管道分屬不同的管道系統(tǒng)，與本工程應(yīng)用無(wú)關(guān)，本文不再詳細(xì)說(shuō)明。

（3）長(zhǎng)輸管道。

長(zhǎng)輸管道部分主要針對(duì)管材選擇、管道設(shè)計(jì)、管道敷設(shè)與測(cè)試等方面提出了要求，重點(diǎn)介紹了管材性能指標(biāo)要求、管道線(xiàn)路地區(qū)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)、管材壁厚計(jì)算及設(shè)計(jì)系數(shù)選取、管件設(shè)計(jì)與計(jì)算、閥室設(shè)置、管道敷設(shè)檢驗(yàn)、管道焊接與檢驗(yàn)、管道清管試壓干燥等。

（4）附錄。

附錄是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的前三部分的補(bǔ)充說(shuō)明。附錄的內(nèi)容包括強(qiáng)制性目錄9個(gè)、非強(qiáng)制性目錄6個(gè)。主要包括地上氫氣管道設(shè)備設(shè)計(jì)、ASME引用標(biāo)準(zhǔn)、管道需用應(yīng)力和質(zhì)量因數(shù)等。

2　ASME B31.12標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用

2015年3月，我國(guó)口徑最大的氫氣長(zhǎng)輸管道開(kāi)建，全面進(jìn)入施工建設(shè)期，本文主要從以下幾個(gè)方面介紹ASME B31.12標(biāo)準(zhǔn)在該氫氣長(zhǎng)輸管道工程中的應(yīng)用情況。

2.1管材選擇

ASME B31.12中將可用于氫氣長(zhǎng)輸管道的材料分為兩大類(lèi)，分別是ASTM系列和API系列，詳見(jiàn)表1。同時(shí)，ASME B31.12中明確要求應(yīng)用表1中所有材料的管道最大輸送壓力不能大于3000 psi（20.685MPa），除非材料在氫氣環(huán)境中的性能指標(biāo)滿(mǎn)足ASME BPV Code SectionⅧDivision 3［8］Article KD-10中的要求。另外，對(duì)于ASTM A381 Class Y-65和API 5L X65/X70/X80等材料，管道的最大輸送壓力不能大于1500 psi（10.34MPa）。

表1　氫氣長(zhǎng)輸管道材料分類(lèi)匯總

同時(shí)，在ASME B31.12的附錄A中指出氫脆現(xiàn)象對(duì)材料的強(qiáng)度十分敏感，強(qiáng)度越高、氫脆越嚴(yán)重，所以在選擇材料時(shí)，不僅要對(duì)材料的屈服強(qiáng)度最低值提出要求，還要對(duì)材料的屈服強(qiáng)度上限值加以要求。附錄A中還結(jié)合歐美地區(qū)已建氫氣長(zhǎng)輸管道20多年的安全運(yùn)營(yíng)情況，推薦選用ASTM A 106 Grade B，ASTM A53 Grade B，API 5L X42和API 5L X52等鋼級(jí)。

結(jié)合ASME B31.12中規(guī)定的材料等級(jí)以及氫脆的特點(diǎn)，最大限度地降低管道材料對(duì)氫的敏感性，在此次氫氣長(zhǎng)輸管道工程中選取鋼級(jí)較低的API 5L B級(jí)（PSL2）鋼管。

2.2設(shè)計(jì)計(jì)算

ASME B31.12中管道壁厚計(jì)算公式如下:

式中P——設(shè)計(jì)壓力，MPa

S——材料屈服強(qiáng)度，MPa，按 ASME B31.12中表IX-1B選取

t——管道壁厚，mm

D——管道外徑，mm

F——設(shè)計(jì)系數(shù)，按 ASME B31.12中表PL-3.7.1-1和表 PL-3.7.1-2中選取

E——焊縫系數(shù)，對(duì)于新建管道取1.0

T——溫度折減系數(shù)，按ASME B31.12中表PL-3.7.1-3選取

Hf——材料性能系數(shù)，按ASME B31.12中表IX-5A選取

2.2.1設(shè)計(jì)系數(shù)

在ASME B31.12中，給出了A/B兩組設(shè)計(jì)系數(shù)供選擇，具體見(jiàn)表2。

表2　設(shè)計(jì)系數(shù)F

A組是規(guī)范化的設(shè)計(jì)系數(shù)，管道需按照API 5L附錄G中的要求進(jìn)行韌性試驗(yàn)，要求夏比沖擊試驗(yàn)剪切面積3個(gè)試樣平均值不能低于80%（全尺寸試樣）或者85%（非全尺寸試樣），或者落錘試驗(yàn)剪切面積不小于40%，且要求夏比沖擊功滿(mǎn)足下式的要求:

式中CVN——全尺寸夏比沖擊功，ft-lb

R——管道半徑，in

T——管道壁厚，in

σh——設(shè)計(jì)壓力條件下的管道環(huán)向應(yīng)力，ksi

此組設(shè)計(jì)系數(shù)對(duì)管道韌性的要求較API 5L標(biāo)準(zhǔn)偏低，按照API 5L標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的管道基本符合要求。

B組是基于管道性能的設(shè)計(jì)系數(shù)，首先，要求管道滿(mǎn)足API 5L PSL2的相關(guān)要求；其次，要求置于氫氣環(huán)境中的管道滿(mǎn)足ASME BPV Code SectionⅧDivision 3 Article KD-10中的相關(guān)要求；最后，還需要將置于氫氣環(huán)境中按照KD-1040測(cè)得的管道材料的KIH值（材料應(yīng)力強(qiáng)度門(mén)檻因子）大于經(jīng)過(guò)計(jì)算的KIA值（材料應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)用因子）。此組設(shè)計(jì)系數(shù)是基于管道的實(shí)際性能開(kāi)展的，在數(shù)值上與ASME B31.8［9］基本一致，只是未采用ASME B31.8中一級(jí)地區(qū)一類(lèi)區(qū)域的設(shè)計(jì)系數(shù)（設(shè)計(jì)系數(shù)值為0.8）。

相較于天然氣，氫氣對(duì)管道會(huì)產(chǎn)生氫損傷［10-12］。因此當(dāng)選取 B組設(shè)計(jì)系數(shù)時(shí)，必須將材料置于氫氣環(huán)境中進(jìn)行性能測(cè)試，當(dāng)滿(mǎn)足相關(guān)要求時(shí)，才可以按照天然氣管道的設(shè)計(jì)系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。而A組設(shè)計(jì)系數(shù)未進(jìn)行相關(guān)的性能測(cè)試，所以以提高設(shè)計(jì)系數(shù)來(lái)保證管道的安全。B組設(shè)計(jì)系數(shù)相對(duì)A組設(shè)計(jì)系數(shù)更加精確與節(jié)省管材，但是對(duì)材料的性能要求較高，不易完全滿(mǎn)足要求。反之，A組設(shè)計(jì)系數(shù)相對(duì)保守一些，但是操作起來(lái)更加簡(jiǎn)捷、方便。

2.2.2材料性能系數(shù)

與ASME B31.8相比較，材料性能系數(shù)Hf是ASME B31.12引入的一個(gè)新參數(shù)，它與設(shè)計(jì)壓力和管道的屈服強(qiáng)度有關(guān)，具體見(jiàn)表3。

表3　材料性能系數(shù)Hf

材料性能系數(shù)也是為了防止氫氣對(duì)管道產(chǎn)生氫損傷而適當(dāng)增加壁厚裕量設(shè)置的，設(shè)計(jì)壓力越高、鋼級(jí)越高，氫損傷越嚴(yán)重，系數(shù)選取的越小，管道壁厚越大，進(jìn)而保證管道的安全。值得注意的是，當(dāng)選用B組設(shè)計(jì)系數(shù)時(shí)，材料性能系數(shù)可取1.0。

2.2.3設(shè)計(jì)壓力

在ASME B31.12中，明確規(guī)定設(shè)計(jì)壓力不能高于管道在工廠時(shí)試驗(yàn)壓力的85%，并且要求當(dāng)工廠試驗(yàn)壓力產(chǎn)生的管道環(huán)向應(yīng)力低于管道屈服強(qiáng)度的85%時(shí)，管道需進(jìn)行工廠復(fù)驗(yàn)或者管道安裝后復(fù)驗(yàn)。如果復(fù)驗(yàn)壓力大于原試驗(yàn)壓力，則設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不小于復(fù)驗(yàn)壓力的85%。

對(duì)設(shè)計(jì)壓力的規(guī)定是ASME B31.12中特有的，在GB 50251—2015［5］中沒(méi)有此項(xiàng)要求，其目的是進(jìn)一步提高管道的安全。

2.2.4小結(jié)

結(jié)合國(guó)內(nèi)管道生產(chǎn)質(zhì)量現(xiàn)狀以及管道的安全性，在此次氫氣長(zhǎng)輸管道工程中選取相對(duì)保守的A組設(shè)計(jì)系數(shù)，材料性能系數(shù)根據(jù)氫氣長(zhǎng)輸管道工程的具體設(shè)計(jì)壓力和鋼級(jí)確定。

2.3無(wú)損檢測(cè)

ASME B31.12規(guī)定，當(dāng)管道在環(huán)向應(yīng)力不小于管道最低屈服強(qiáng)度20%的環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，需對(duì)焊接接頭進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。檢測(cè)方法包括射線(xiàn)檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、磁粉檢測(cè)或者其他合適的檢測(cè)方法。進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)焊接接頭的最低數(shù)量應(yīng)為1類(lèi)地區(qū)的10%、2類(lèi)地區(qū)的15%、3類(lèi)地區(qū)的40%、4類(lèi)地區(qū)的75%。對(duì)于穿越主要公路、鐵路以及河流的管道，如果可行，則需進(jìn)行焊接接頭的100%檢測(cè)，但在任何情況下不允許少于焊縫的90%。所有未經(jīng)過(guò)試壓的焊接接頭均應(yīng)進(jìn)行100%檢測(cè)。

ASME B31.8中關(guān)于無(wú)損檢測(cè)的要求與ASME B31.12基本一致。GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對(duì)所有焊接接頭進(jìn)行100%無(wú)損檢測(cè)，首選射線(xiàn)和超聲波，焊縫表面可用磁粉或液體滲透檢測(cè)。對(duì)焊接接頭進(jìn)行100%超聲波檢測(cè)后，應(yīng)按一定比例進(jìn)行射線(xiàn)復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)比例為1類(lèi)地區(qū)的5%、2類(lèi)地區(qū)的10%、3類(lèi)地區(qū)的15%、4類(lèi)地區(qū)的20%。對(duì)于主要公路、鐵路、河流的管道焊接接頭，彎頭與直管段焊接接頭以及未經(jīng)試壓的管道焊接接頭，均應(yīng)進(jìn)行100%射線(xiàn)檢測(cè)。

對(duì)比以上的檢測(cè)要求可以看出，GB 50251—2015比ASME B31.12要嚴(yán)格得多。結(jié)合本次氫氣長(zhǎng)輸管道工程施工現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)條件和水平，選用要求更加嚴(yán)格的GB 50251—2015作為無(wú)損檢測(cè)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。

2.4壓力試驗(yàn)

ASME B31.12規(guī)定，管道需至少以最高允許操作壓力150%的試驗(yàn)壓力進(jìn)行壓力試驗(yàn)，持續(xù)時(shí)間至少為2 h，試驗(yàn)介質(zhì)建議用水。對(duì)于高等級(jí)道路、鐵路等穿越區(qū)段，需單獨(dú)試壓，試壓要求與線(xiàn)路段相同。處于3，4類(lèi)地區(qū)的管道，可以采用氣體進(jìn)行試壓，但是需要滿(mǎn)足如下條件:試壓時(shí)最大環(huán)向應(yīng)力在3類(lèi)地區(qū)時(shí)不大于屈服強(qiáng)度的50%、4類(lèi)地區(qū)40%；同時(shí)要求管道的最大操作壓力不大于現(xiàn)場(chǎng)最大試驗(yàn)壓力的80%，管道必須是新管道，且焊縫系數(shù)為1.0。

ASME B31.12中也規(guī)定管道需進(jìn)行泄漏試驗(yàn)，檢查出所有泄漏點(diǎn)，試驗(yàn)壓力、試驗(yàn)時(shí)間未明確。如果管道以氣體作為介質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，并且環(huán)向應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度的20%時(shí)，管道在進(jìn)行泄漏試驗(yàn)時(shí)需將壓力由100 psi升至使管道環(huán)向應(yīng)力為屈服強(qiáng)度的20%的壓力值，并且升壓時(shí)間至少為10 min，或者將壓力升至使管道環(huán)向應(yīng)力為屈服強(qiáng)度的20%的壓力值，應(yīng)用泄漏探測(cè)器對(duì)管道全線(xiàn)進(jìn)行泄漏檢測(cè)。

ASME B31.12中的強(qiáng)度壓力試驗(yàn)壓力值未按地區(qū)等級(jí)區(qū)分，全部是1.5倍最大操作壓力，此項(xiàng)要求比ASME B31.8和GB 50251—2015要嚴(yán)格。所以本次氫氣管道工程的強(qiáng)度壓力試驗(yàn)壓力值按此規(guī)定執(zhí)行，但是持續(xù)時(shí)間采取GB 50251—2015中的4 h。ASME B31.12中對(duì)泄漏性試壓未做明確要求，不易操作，在本次氫氣管道工程中采用GB 50251—2015中的試壓方法進(jìn)行，即在管道最大允許操作壓力條件下穩(wěn)壓24 h，以不泄漏為合格。

3　結(jié)語(yǔ)

（1）ASME B31.12是國(guó)際上第一部關(guān)于氫氣管道的標(biāo)準(zhǔn)，適用范圍比較廣泛，涵蓋輸送氫氣的工業(yè)管道和長(zhǎng)輸管道。

（2）在管道材料選擇方面，ASME B 31.12作出了嚴(yán)格的規(guī)定，并且結(jié)合工程實(shí)際給出了推薦管道材料。

（3）在管道設(shè)計(jì)計(jì)算方面，ASME B 31.12全面考慮了氫氣對(duì)管道的損傷影響，分別從材料性能系數(shù)、設(shè)計(jì)系數(shù)等方面加以限制，以保證管道的安全。

（4）在管道檢測(cè)和試壓方面，ASME B31.12與ASME B31.8基本一致，相對(duì)GB 50251—2015比較寬松，國(guó)內(nèi)的氫氣長(zhǎng)輸管道工程建議參照GB 50251—2015執(zhí)行。

［1］沈顯超.中美氫氣標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析［J］.化工生產(chǎn)與技術(shù)，2014，21（4）:52-54.

［2］ASME B31.12—2014，Hydrogen Piping and Pipelines［S］.

［3］Hydrogen Transportation Pipelines［S］.European Industrial Gases Association，2004.

［4］CGA G-5.6—2005，Hydrogen Pipeline Systems［S］.

［5］GB 50251—2015，輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］GB 50177—2005，氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［7］APISPECIFICATION 5L，F(xiàn)ORTY-FIFTH EDITION， 2013，Specification for Line Pipe［S］.

［8］ASME Boiler&Pressure Vessel Code，Ⅷ Division 3，Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels，Rules for Construction of Pressure Vessels［S］.2010.

［9］ASME B31.8—2014，Gas Transmission and Distribution Piping Systems［S］.

［10］蔣慶梅，張小強(qiáng).氫氣與天然氣長(zhǎng)輸管道線(xiàn)路設(shè)計(jì)ASME標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析［J］.壓力容器，2015，32（8）:44-49.

［11］何仁洋，欒湘東，張慶春，等.壓力管道安全完整性技術(shù)法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)體系研究［J］.壓力容器，2012，29（7）:44-50.

［12］王金富.制氫裝置管道材料的選用［J］.石油化工腐蝕與防護(hù)，2004，21（3）:19-22.

Application of ASME B31.12 in a Domestic Long Distance Hydrogen Pipeline Project

ZHANG Xiao-qiang，JIANG Qing-mei
（China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China）

The design technique of long distance hydrogen pipeline project is verymature abroad，and the technical standards is comprehensive，but it is a blank in China.The application of ASME B31.12 in a domestic hydrogen pipeline project from the pipematerial，pipe design calculation，nondestructive testing and pressure testingwas described.These requirements and applications can provide a reference for future long distance hydrogen pipeline construction in China.

long distance hydrogen pipeline；ASME B31.12；pipeline design

TH122；T-65；TQ055.8

B

1001-4837（2015）11-0047-05

10.3969/j.issn.1001-4837.2015.11.008

2015-08-11

張小強(qiáng)（1985-），男，工程師，主要從事油氣長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)及焊接工藝研究工作，通信地址:065000河北省廊坊市和平路146號(hào)中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司管道設(shè)計(jì)院線(xiàn)路室，E-mail:xqzhangcppe@cnpc.com. cn，414981210@qq.com。