4.2.1、4.2.2  我国大型输气管道工程建设始于20世纪50年代。管道的安全保证基本上沿用前苏联大型管线设计模式，埋地管道与居民点、工矿企业和独立建(构)筑物之间保持一定的安全距离。后来，根据我国情况制定了《埋地输气干线至各类建构筑物最小安全距离、防火距离》，但在执行过程中，遇到很多矛盾，有些问题难以解决。20世纪70年代中期参照美国国家标准ASME B31.8按不同地区等级采用不同的设计系数，做出相应的管道设计。当时，地区等级不是按居民密度指数划分，而是以建(构)筑物的安全防火类别为基础嘤Φ鼗殖鏊睦嗟厍燃叮杓葡凳朊拦冶曜糀SME B31.8的规定一致，经实践，尚属可行。本规范1994版、2003版均采用了以居民密度指数划分地区等级，并规定了相应的强度设计系数，本次修订仍规定采用控制管道自身的安全性作为输气管道的设计原则，并将原一级地区细分为一级一类地区和一级二类地区。现分述如下：

    第一，输气管道建设中的安全保证有两种指导思想：一是控制管道自身的安全性，如美国国家标准ASME B31.8、加拿大国家标准《油气管道系统》CSA Z662、《石油和天然气工业管道输送系统》ISO 13623等。它们的原则是严格控制管道及其构件的强度和严密性，并贯穿到从管道设计、管材冶金、制管、设备材料选用、施工、检验、运行、维护到更新改造的全过程，即管道全生命周期的完整性管理。用控制管道的强度和结构安全来确保管道系统的安全，从而为管道周围公众、建(构)筑物及其他设施提供安全保证，目前欧美各国多采用这种设防原则。二是控制安全距离，如前苏联《大型管线》、俄罗斯联邦国家标准《大型管线压力大于10MPa时的设计标准ΓOCT P55989-2014，它们虽对管道系统强度有一定要求，但主要是控制管道与周围建(构)筑物的距离，以此为周围建(构)筑物提供安全保证。

    第二，加强管道自身安全是对管道周围公众、建(构)筑物及其他设施安全的重要保证。对于任何地区的管道仅就承受内压而言，应是安全可靠的。如果存在有可能造成管道损伤的不安全因素，就需要及时采取一定的措施以保证管道的安全。欧美国家输气管道设计采取的主要安全措施是随着公共活动的增加而降低管道应力水平，即增加管道壁厚，以强度确保管道自身的安全，从而为管道周围公众、建(构)筑物及其他设施提供安全保证。这种“公共活动”的定量方法就是确定地区等级，并使管道设计与相应的设计系数相结合。在这些地区主要采取降低管道应力的方法增加安全度。按不同的地区等级，采用不同的设计系数(F)来保证管道周围公众、建(构)筑物及其他设施的安全，显然这种做法比采取安全距离适应性强，线路选择比较灵活，也较经济合理。

    第三，强度设计系数(F)。管道安全性的判断是许用应力值，使用条件不同其值亦异。即使在同样条件下，根据各国国情，其值亦有所差异。美国ASME B31.8按管道使用条件对许用应力值有详细的规定，该标准1992年及以前的版本规定的许用应力值在0.4σs～0.72σs(σs为钢管标准规定的最小屈服强度)之间，该标准1989版及之后版本规定的许用应力值在0.4σs～0.8σs之间，即美国ASME B31.8已将最大许用应力提升为0.8σs。

    输气管线设计采用设计系数0.8时(一级一类地区)，管道应选择在人类活动少且无永久性人员居住的地区，采用设计系数0.72时(一级二类地区)，管道应处于野外和人口稀少的地区，在这些区域发生管道事故，除管道公司财产损失外，对外界的危害程度不大。采用设计系数0.4时(四级地区)，管道处在人口稠密、楼房集中和交通频繁的地区，由于输气管道运行聚积了大量的弹性压缩能量，管道一旦发生破坏，对周围环境危害甚大，因此，应降低管道应力水平，提高安全度，以确保管道周围公众及建(构)筑物的安全。此外，在四级地区的线路截断阀一般不超过8km，管道发生事故时，气体向外释放量较其他地区等级少，从而把危害降到最低限度。根据国内外的大量实践证明，按不同的地区等级采用不同的设计系数来设计输气管道是安全可靠的。不同地区等级采用不同地区的强度设计系数，在合理使用管材强度上也是经济合理的。本次修订根据我国近十年工程建设经验和技术发展水平，增加了0.8强度设计系数，本规范的设计系数与美国国家标准《输气和配气管道系统》ASME B31.8一致，即0.8、0.72、0.6、0.5、0.4。

    第四，地区等级划分。美国国家标准ASME B31.8按不同的居民(建筑物)密度指数将输气管道沿线划分为四个地区等级。其划分的具体方法是以管道中心两侧各1/8英里(201m)范围内，任意划分成长度为1英里的若干管段，在划定的管道区域内计算供人居住独立建筑物(户)数目，定为该区域的居民(建筑物)密度指数，并以此确定地区等级。

    我国幅员辽阔，东西南北地区特征差别甚大。根据我们多年的工作实践，按居民住户(建筑物)密度指数划分为四个地区等级，进行相应的管道设计是适宜的。同时，从我国实际情况出发，对居民住户(建筑物)密度指数的确定做了一些改变，这与美国ASME B31.8不同。本规范本次修订增加了一级一类地区可采用0.8设计系数并对该地区等级划分提出了严格的要求，对其他地区等级的划分未作调整。

    本规范采用沿管道中心线两侧各200m范围内，任意划分长度为2km的若干管道区域，按划定区域内供人居住的独立建筑物(户)数目(以数目多者为准)确定居民(建筑物)密度指数。

    我国是世界上人口最多的国家，大陆31个省、自治区、直辖市现有人口约13.4亿。我国人口分布很不均匀，中、东部地区人口密度大，西部地区人口密度小，全国平均人口密度约为140人/km2。全国乡村人口密度约为70.2人/km2，乡村按3.1人/户来计算独立建筑物数，则居民(建筑物)密度指数约为22.7户/km2，按本规范提出的管段划分区域(0.8km2)计算，我国乡村指数则为18.2，即我国按乡村居民独立建筑物数密度指数，全国平均为二级地区。从乡村人口居住情况看，山区及丘陵地区多为分散居住，平原地区多为集中居住。我国大陆31个省、自治区、直辖市及全国人口密度统计见表2。 

表2  大陆31个省、自治区、直辖市及全国人口密度(人/km2)

    注：1  基础料据来源：中华人民共和国国家统计局2010第六次全国人口普查主要数据公报。

           2  本表除全国平均人口密度外，其余人口密度根据(未考虑现役军人及难以确定常住地人员)常住人口数及各地区陆地国土面积计算得出。

           3  大陆31个省、自治区、直辖市共有家庭户401517330户，家庭户人口为1244608395人，平均每个家庭户的人口为3.10人。

           4   大陆31个省、自治区、直辖市和现役军人的人口中，居住在城镇的人口为665575306人，占49.68％；居住在乡村的人口为674149546人，占50.32％。同2000年第五次全国人口普查相比，城镇人口增加207137093人，乡村人口减少133237289人，城镇人口比重上升13.46个百分点。

    综上所述，我国按乡村居民独立建筑物数密度指数平均为二级地区，乡村居民(建筑物)密度指数约为22.7户/km2，采用安全距离原则设计输气管道明显不合适。因此本规范采用提高输气管道自身的安全度来保证管道周围建筑物的安全是积极的，与用安全距离来保证管道周围建(构)筑物的安全相比，前者较为合理。采用管道自身的安全度来保证安全已被当今许多工业发达国家所采用，因此，本规范修订时仍以按地区等级确定管道自身强度安全为原则。

    本次修订是在2003版基础上，将一级地区细分为一级一类和一级二类两个地区类别，确定一级一类地区可采用0.8或0.72强度设计系数，一级二类地区采用0.72强度设计系数。对一级一类地区的划分方式主要参考了以下国外标准：

    (1)美国国家标准《输气和配气管道系统》ASME B31.8-2012，该标准第840.2.2条规定，一级地区(包括一级一类0.8设计系数和一级二类0.72设计系数)指沿管道中心线两侧各0.2km范围内、任意划分长度为1.6km的地带内，供人居住的建筑物不超过10户(密度指数为15.6户/km2)，主要指荒地、沙漠、山区、草原、耕地和人口稀少的居民区。

    (2)加拿大《油气管道系统》CSA Z662-2007的一级地区划分与美国国家标准《输气和配气管道系统》ASME B31.8基本一致，区别在于CSA Z662规定：无人区(None)或供人居住的建筑物不超过10户(密度指数为15.6户/km2)均为一级地区，一级地区设计系数均为0.8。

    (3)《石油和天然气工业管道输送系统》ISO 13623与美国和加拿大标准略有不同，它是以每平方千米的人的个数来确定的地区等级，对输送D类无毒的天然气，一级地区指管道中心线两侧各0.2km范围内，沿管道任意划1km2的面积，这个面积内不经常有人类活动，为无永久性住房的地区，如不通行的沙漠、荒凉的冻土地区等，在该地区，环向应力设计系数可以增大到0.83(环向应力的计算方式与美国国家标准ASME B31.8也略有不同)。

    综上所述，本规范首次引入0.8强度设计系数，为慎重和安全考虑，本规范一级一类地区的划分要求比美国和加拿大标准要求更严格一些，与ISO 13623要求基本一致。因此，本规范规定一级一类地区采用0.8设计系数的管道为不经常有人活动、无永久性人员居住的地区。

4.2.3  本规范2003版的修编时，曾考虑了采纳0.8设计系数，但因我国当时冶金、制管、施工、检验及完整性管理等技术与世界先进水平尚存在一定差距，故未采纳。本次修订增加一级一类地区可采用0.8设计系数，主要考虑了以下因素：

    (1)本规范2003版发布至今，我国输气管道工程建设经过了十几年的快速发展，建成了西气东输管道、陕京二线、冀宁联络线、陕京三线、西气东输二线管道、西气东输三线管道(西段)等大口径、高压、高钢级全国骨干输气管道，最大设计压力已达12MPa，最大管径为D1219mm，最高钢级为X80，且目前我国正在开展更高钢级、更大管径的技术研究。我国在管线钢的冶金、制管、施工及检验技术、质量控制水平、完整性管理水平方面有了显著提高，管道建设总体技术基本接近或达到国际先进水平，为本规范修订增加一级一类地区可采用0.8设计系数打下了良好基础。

    (2)美国国家标准《输气和配气管道系统》ASME B31.8-1989正式将设计系数提高到0.8并沿用至今。该标准将一级地区分为一级一类地区(设计系数取0.8)和一级二类地区(设计系数取0.72)。

    (3)加拿大在1968年基于ASME B31.4和B31.8，编制并颁布了分别适用于输油和输气管道的联邦法规CSA Z183和CSA 184，1994年将这两部法规进行了合并，形成了《油气管道系统》CSA Z662，至今一级地区仍采用0.8强度设计系数。

    (4)《石油和天然气工业管道输送系统》ISO 13623中规定D类无毒天然气管道在一级地区采用的环向应力系数最大为0.83。

    (5)管道失效与设计系数的关系。

    1980年，美国机械工程师协会(ASME)将1953年～1971年间采用0.72以上设计系数与采用0.72及以下设计系数运行的输气管道的事故率进行了比较，设计系数在0.72及以下的输气管线事故率平均值为2.5×10-4/(千米·年)，设计系数为0.72以上的输气管线事故率平均值为3.1×10-4/(千米·年)，说明这期间采用0.72以上设计系数的输气管线事故率要高一些。此后，ASME统计分析了1984年～2001年的事故数据库，其结果是输气管线事故率平均值为1.8×10-4/(千米·年)，事故率降低的根本原因是完整性管理的应用及管理水平的提高。

    ASME根据1984年～2001年间美国管道事故数据库，分析了管道的运行应力与输气管道事故率之间的关系，其结果是设计系数低于0.4的天然气管道事故率最高，占所有事故的比例接近40％；设计系数高于0.72的管道，事故仅占所有事故的2％。数据表明，应力水平和设计系数不是管道发生失效事故的主要原因，事故率和设计系数无直接关系。ASME又进一步对1984年～2001年间事故数据库分析，研究了诱发管道事故的主要原因，其结果是外力损伤是诱发管道事故的主要原因，占所有管道事故的39％，腐蚀导致的管道事故占24％，建造和制管缺陷导致的管道事故占14％，其他原因造成的管道事故占23％。

    1954年～2004年间，加拿大天然气管道的事故率大约为2.0×10-4/(千米·年)，与美国的天然气管道事故率基本相当。加拿大没有建立与美国相似的事故数据库，因此，无法具体判定钢管级别、规格或者运行压力等哪个因素是引起管道事故的主要原因。但是，采用0.8设计系数并没有造成管道事故的发生。

    根据以上国外管道数据分析，管道失效与设计系数关系不大，北美地区已有管道工程应用情况表明，采取严格的质量控制与完整性管理措施，0.8与0.72设计系数的管道失效概率基本相当。采用0.8设计系数技术可行。

    (6)加拿大和美国管道工程标准规定了输气管道一级地区可采用0.8强度设计系数，目前国际上按0.8设计系数建造运行的管道已达数万公里。与采用0.72设计系数的管道相比，事故率并没有明显的上升。管道失效受多种因素的影响，但设计系数不是管道失效的控制因素，采用0.8设计系数，虽然失效概率和运行风险有一定程度的增加，但都在可以接受的范围之内。

    (7)通过合理控制管材化学成分、钢管的断裂韧性指标、壁厚偏差和管材最小屈服强度偏差，我国现有管材制造技术水平可以满足0.8设计系数的管材要求。

    (8)采用0.8设计系数，钢管需在工厂进行达到管材标准规定的最小屈服强度100％静水试压试验，现场至少要进行1.25倍设计压力的水压强度试验，考虑到现场地形高差，要求低点试验压力产生的环向应力不大于105％管材标准规定的最小屈服强度。采取严格的试压措施，用压力-体积图法监测试压过程，现场水压强度试压不会造成管道的试压失效，还可在一定程度上提高管道的完整性。

    (9)2006年美国批准建设Rockies Express Pipeline(洛基捷运管线)州际输气管道，管线全长约2117km，管径为D1067，最大允许操作压力为10.2MPa。管道90％处于一级地区，一级地区内管道最大环向应力不超过80％管材标准规定的最小屈服强度，即设计系数最大为0.8。管道公司对此管道在一级地区使用0.8设计系数和0.72设计系数进行了9个方面的风险分析：①应力腐蚀裂纹；②工艺缺陷；③天气/外部原因；④焊接和制造缺陷；⑤设备故障；⑥设备影响或第三方损害；⑦外部腐蚀；⑧内部腐蚀；⑨不当操作风险分析。根据以上9项风险分析结果，使用0.8设计系数的管道总体风险没有显著增加。此外，使用0.8设计系数的管道只在外部腐蚀、内部腐蚀和不当操作方面风险稍稍增加。由于壁厚要薄一些，应力更高，相应的风险也要稍大一些，安全性有所降低。根据Rockies Express Pipeline风险分析，0.8设计系数的管道，只要严格控制进入管道内的气体质量(防止内腐蚀)、采取可靠的外防腐蚀措施及加强完整性管理，管道的可靠性是有保障的。

    (10)采用0.8设计系数，可减小管道壁厚，节省钢材耗量，且对增加输量有一定效果。

    (11)我国地域辽阔，具备一级一类地区采用0.8强度设计系数的地域条件，如戈壁、沙漠、草原等地区。

    (12)为本规范修订增加0.8强度设计系数，中国石油天然气股份公司专门组织开展了“输气管道提高强度设计系数工业性应用研究”(该项研究是中国石油天然气股份公司重大科技专项“第三代大输量天然气管道工程关键技术研究”中的子课题之一)。在该子课题中开展了《输气管道提高强度设计系数可行性研究》、《0.8设计系数用管材技术条件及管材生产技术研究》、《0.8设计系数管道现场焊接工艺及环焊缝综合评价技术研究》、《西三线0.8设计系数示范工程设计及施工技术研究》、《示范工程服役安全可靠性评估及风险分析》。根据研究成果，中石油于2013年在西气东输三线管道工程(西段)甘肃境内建设完成了管径D1219mm、设计压力12MPa、X80、长约300km的0.8设计系数输气管道试验段，为本规范的修订提供了理论和实践依据。

    综上所述，本规范修订增加0.8强度设计系数的条件和时机已经成熟。

    本规范并非要求一级一类地区必须采用0.8强度设计系数，即在一级一类地区的管道，采用0.8或0.72强度设计系数均是可以的。值得注意的是，在一级一类地区采用0.8强度设计系数的管道，本规范对管线的运行压力控制、管材工厂静水压试验、现场水压强度试验等方面都有更加严格的要求(其要求分布在各章节中)。因此，一级一类地区需在综合分析本规范的相关要求、工程具体条件和技术经济比较后，确定一级一类地区采用0.8或0.72设计系数。

4.2.4  本条为强制性条文。本规范规定在一级一类、一级二类、二、三、四级地区，设计系数分别为0.8、0.72、0.6、0.5、0.4，这种相互对应的关系，在某些情况下也有例外。如在一级地区内的大中型穿(跨)越管道、输气站及阀室内的管道、穿越不同等级道路的管道，则不能套用相应的地区等级来确定管道的设计系数，为避免混淆，本条对这些地段管道的强度设计系数作了明确的规定，以便正确选用设计系数。

    一级一类地区采用0.8设计系数的管道，如果不可避免地出现地面敷设的管段(除管道跨越工程外)，则该地面管段应采用不大于0.72的设计系数，主要是基于管道水压强度试验的考虑。

     考虑到一、二级公路，高速公路及铁路的重要性，穿越这些道路都是采用非开挖方式，如套管或涵洞，属有套管类穿越。这些穿越也有采用定向钻穿越的方式。因此，本次修订删除了原规范表4.2.4中“有套管穿越一、二级公路，高速公路，铁路的管道”中的“有套管”三个字。

    本规范不可能列出所有特殊情况设计系数的选用规定，针对不同的特殊地段，设计者应根据风险作出判断，采用合适的设计系数和设计措施，以确保相互安全。设计措施可以根据潜在影响分析和管道的安全风险分析，对管道采取适当降低设计系数、提高焊缝检测要求、提高防腐等级、增加埋深、加密地区标识等措施，以削减管道系统风险。