侯杰廷，朱小丹，陳 彬，周文靜

（1.國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司建設(shè)項目管理分公司，河北 廊坊 065001；2.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

1 加長管應(yīng)用的優(yōu)勢和現(xiàn)狀

管道系統(tǒng)的本質(zhì)安全主要涉及鋼管本體和環(huán)焊縫，而環(huán)焊縫是整個管道系統(tǒng)最為薄弱的環(huán)節(jié)。由于長輸管道焊接施工現(xiàn)場的環(huán)境因素復(fù)雜多變（包括地形條件、氣象條件等），管道環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量控制存在一定的難度，特別是隨著管線鋼管直徑、壁厚的增大以及鋼級的提高，使該問題尤為明顯[1-2]。降低管道環(huán)焊縫失效概率最簡單有效的辦法就是減少環(huán)焊縫數(shù)量，隨著單根管長的增加，焊縫數(shù)量的減少幅度隨之增大。若將單根鋼管長度從12 m 提高到18 m，環(huán)焊縫數(shù)量降幅將達(dá)33.3%，現(xiàn)場焊接工作量降低且施工工期更短，因此加長管的應(yīng)用具有明顯的優(yōu)勢[3-4]。

鑒于加長管應(yīng)用的優(yōu)勢，國內(nèi)外部分項目已采用了加長管。如加拿大CNRL 油砂項目、國內(nèi)中俄東線南段、江蘇濱海LNG（安徽天長—合肥段）管線均已部分使用了18 m 加長管。受制于加長管在鋼管制造、建設(shè)施工、運營維護(hù)等多個方面因素，以及與傳統(tǒng)12 m 鋼管的差異，相關(guān)加長管工程應(yīng)用段落普遍較短[5]。為滿足加長管在后期工程中大規(guī)模應(yīng)用，有必要對加長管應(yīng)用全生命周期費用進(jìn)行探討，為加長管的應(yīng)用提供經(jīng)濟(jì)方面的參考。

2 管道全生命周期費用計算方法與工況構(gòu)建

2.1 全生命周期費用計算方法

管道全生命周期費用Cfc包括建設(shè)期費用Ccc（管材制造和施工等）、運營期費用Coc（運行和維護(hù)等） 和潛在損失費用Cplc（管道失效后果）[6-7]，管道的全生命周期費用的構(gòu)成可用公式（1）來表示[8]，即

本研究結(jié)合中俄遠(yuǎn)東天然氣管道工程、西氣東輸三線和四線天然氣管道工程18 m 加長管應(yīng)用情況，按照國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司《建設(shè)項目初步設(shè)計概算編制細(xì)則》，根據(jù)國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司《建設(shè)項目全費用工程量清單單價》確定建設(shè)期成本。通過對加長管概算指標(biāo)進(jìn)行分析，綜合對比加長管與12 m 組別管道建設(shè)期費用。

管道的運行費用主要包含巡檢費、內(nèi)檢測費和運維管理費，參考張金源等[9]對運行費用的運營期算法及各參數(shù)數(shù)值選取原則，確定了長輸管道一般按固定資產(chǎn)原值（扣除建設(shè)期利息） 的2.5%進(jìn)行管道運行費用的計算，通過費用現(xiàn)值（包含Ccc+Coc）來體現(xiàn)方案的經(jīng)濟(jì)效果[10]。

管道失效后的潛在損失費包括運營期30 年內(nèi)管體每年總的失效（小泄漏、大泄漏、破裂）后的損失費用以及環(huán)焊縫破裂失效的損失費用[11]，并且針對失效事件的直接搶修費（包括設(shè)備、材料和施工費、維搶修時的管段氣體放空損失費、運行中斷損失的輸送收益費、失效事故引起的人員傷亡補(bǔ)償費）進(jìn)行綜合考慮[12]。

2.2 典型工況構(gòu)建

基于國內(nèi)項目中俄東線天然氣管道、西氣東輸三線和四線天然氣管道等工程應(yīng)用經(jīng)驗，考慮到后續(xù)工程對加長管的應(yīng)用情況，選取1 219 mm管徑、18.4 mm壁厚的12 m和18 m長度的直縫埋弧焊管，按照100 km 管道考慮構(gòu)建典型工況，具體工況參數(shù)見表1。

表1 全生命周期費用計算典型工況

3 加長管應(yīng)用全生命周期費用分析計算

3.1 管道建設(shè)期費用

3.1.1 鋼管制造費用

針對18 m 直縫埋弧焊管，根據(jù)對中國寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司和中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司的調(diào)研，其制造成本略有提高，主要因素為損耗增加和設(shè)備效率降低兩個方面。由12 m變?yōu)?8 m，鋼板軋制由雙倍尺變?yōu)閱伪冻?，長板成型不良率增加致使損耗增大，鐮刀彎增大引起銑邊余量增加。此外，鋼管制造過程中廠內(nèi)接駁周轉(zhuǎn)難度增大，制造成型壓力增加，機(jī)械冷擴(kuò)徑裝置和水壓機(jī)打壓時間等方面均有一定的降效影響。綜合分析制造費用環(huán)節(jié)，總體費用增加約為150～300 元/t（含防腐），本研究按照費用增加199元/t開展相關(guān)費用計算。

3.1.2 管廠至中轉(zhuǎn)站運輸費用

18 m 鋼管采用重型平板掛車運輸，該車型車廂尺寸為17.5 m×3 m，載重32 t。經(jīng)過測算分析，12 m 管采用13 m 高欄車運輸，一車可裝載4 根（26.1 t）；18 m 管采用17.5 m 板車運輸，對于Φ1 219 mm×18.4 mm 規(guī)格鋼管，一車可裝載3 根（29.4 t），且運輸噸虧比率最小。但受17.5 m 平板車型市場保有量影響，運輸費用較12 m鋼管有所提升?？紤]到其他壁厚和管徑的鋼管對裝載率有較大影響，經(jīng)對管廠綜合調(diào)研和計算，運輸單價上漲約0.13～0.20 元/（t·km），考慮到運輸情況的不確定性因素較多，本研究按照費用增加0.20 元/（t·km）、運距1 000 km進(jìn)行費用計算。

3.1.3 施工費用

根據(jù)施工工序劃分概算結(jié)構(gòu)，管道施工費用大致可分為管段運輸、管段組裝焊接、管道清管試壓、干燥及氮氣置換、無損檢測等部分，其中管道清管試壓、干燥及氮氣置換不受施工設(shè)備和施工能力限制，18 m 管與12 m 管單公里施工費用無差異，主要對管段運輸、管段組裝焊接、無損檢測三個方面進(jìn)行分析。

中轉(zhuǎn)站后管段運輸受施工設(shè)備和施工能力限制，裝卸、吊裝均需采用更大能力的吊裝設(shè)備，運輸設(shè)備也有差異，根據(jù)西氣東輸三線和四線天然氣管道施工實際情況，相比12 m 管，18 m 管的場外運輸費用額外增加約40%。

管段組裝焊接包括坡口加工、預(yù)熱、組裝焊接、管段下溝、補(bǔ)口補(bǔ)傷等。以Φ1 219 mm×18.4 mm規(guī)格鋼管為例，預(yù)熱（按中頻預(yù)熱）、組裝焊接（按照帶內(nèi)焊自動焊）、補(bǔ)口補(bǔ)傷（按機(jī)械化補(bǔ)口），各工序綜合施工降效約17.5%。

無損檢測按100%AUT+20%DR 抽檢來測算，不受施工設(shè)備和施工能力限制。

根據(jù)以上分析，測算100 km管段的施工費用減少1 905萬元，應(yīng)用18 m加長管減少焊口能有效降低焊接和檢測的成本，施工費用分析詳見表2。

表2 施工費用分析表（100 km管段）

3.1.4 配套費用

18 m加長管在卸、堆管時，現(xiàn)有中轉(zhuǎn)站無存儲能力，需建臨時堆管廠，根據(jù)西氣東輸三線和西氣東輸四線情況，100 km建設(shè)長度，相比12 m管，18 m 管需額外建設(shè)臨時堆管廠約10 000 m2，增加臨時占地費用約20萬元。同時運輸需局部整修施工便道，施工便道費用需根據(jù)項目具體情況考慮，本研究不對該方面進(jìn)行對比分析。

3.1.5 建設(shè)期綜合費用

在產(chǎn)能、運力充足情況下，不考慮加長管施工機(jī)具改造及道路增擴(kuò)等相關(guān)費用，18 m加長管在鋼管制造方面費用比12 m管約增加2.53%，運輸方面費用增加66.67%，施工方面費用降低20.38%，百公里建設(shè)期綜合費用增加0.53%，建設(shè)期綜合費用對比結(jié)果見表3。18 m加長管總體費用與12 m鋼管基本一致，在建設(shè)期成本可以有效控制。

表3 建設(shè)期費用綜合對比表

3.2 管道運營期費用

根據(jù)2.1 章節(jié)所述，運營期一年的費用按建設(shè)期總費用的2.5%來計算，費用現(xiàn)值按運營期40年、折現(xiàn)率8%計算。由于18 m加長管建設(shè)期費用與12 m 管相差較小，因此運營期費用也趨于相同，運營期費用綜合對比見表4。

表4 運營期費用綜合對比表

3.3 管道潛在損失費用

3.3.1 管體失效潛在損失費

對于管體腐蝕、第三方破壞引起的管道失效概率，在中國石油天然氣集團(tuán)有限公司課題“天然氣管道基于可靠性的設(shè)計和評價方法研究”開展期間，溫凱等[13-15]對計算模型進(jìn)行構(gòu)建，形成了天然氣管道可靠性計算方法。

采用PRISM 可靠性計算軟件進(jìn)行計算，模擬抽樣次數(shù)為1 億次，計算時間周期為30 年。在進(jìn)行腐蝕失效概率計算時，默認(rèn)全段均為強(qiáng)腐蝕區(qū)域，按照GB/T 27699—2011《鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測技術(shù)規(guī)范》要求，新建管道應(yīng)在投產(chǎn)3 年內(nèi)進(jìn)行管道內(nèi)檢測（也稱基線檢測），管道內(nèi)檢測周期設(shè)置為8 年。管體失效計算基本參數(shù)見表5，對應(yīng)的損失類型和損失費用見表6，計算方法參照GB/T 29167—2012《石油天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)基于可靠性的極限狀態(tài)方法》。表7 為X80 直縫埋弧焊鋼管力學(xué)性能參數(shù)，該數(shù)據(jù)來自國內(nèi)X80 鋼應(yīng)用工程統(tǒng)計。

表5 管體失效計算參數(shù)

表6 管體失效的損失類型及損失費用

表7 X80直縫埋弧焊管管體屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度統(tǒng)計分析

由于18 m加長管與12 m管的管體力學(xué)性能指標(biāo)相同，因此失效概率相同，管體失效方面僅對比不同失效類型之間的潛在損失費，對不同組別的鋼管不進(jìn)行對比分析。管體失效潛在損失費見表8，可以看出該典型工況下，管體小泄露失效潛在費用占比高達(dá)99.23%，其他失效形式造成的損失遠(yuǎn)低于小泄露失效。由于管道敷設(shè)地區(qū)為二級地區(qū)，其第三方破壞失效概率較低，即使按照強(qiáng)腐蝕工況進(jìn)行失效概率計算，其可靠性依舊遠(yuǎn)低于最大允許失效概率（1.70×10-7次/（年·km）），管體發(fā)生泄露和破裂的風(fēng)險極低，因此管體小泄露失效潛在費用占據(jù)主要部分。在上述典型工況下，管體總潛在損失費為8.98萬元。

表8 管體失效潛在損失費用

3.3.2 環(huán)焊縫失效潛在損失費

環(huán)焊縫失效計算采用環(huán)焊縫可靠性計算分析系統(tǒng)，模擬抽樣次數(shù)為1 億次。含缺陷環(huán)焊縫極限狀態(tài)方程中涉及的輸入?yún)?shù)有材料性能、管道規(guī)格、應(yīng)力載荷、缺陷尺寸等，其中材料性能與表5 數(shù)據(jù)保持一致。根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》附錄B 計算應(yīng)力載荷，其輸入?yún)?shù)見表9，表10 中缺陷尺寸信息為西氣東輸三線等多個項目中收集匯總的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

表9 環(huán)焊縫失效計算參數(shù)輸入值

表10 焊縫韌性及缺陷尺寸統(tǒng)計分析

經(jīng)過分析模擬得知，典型工況下環(huán)焊縫失效概率為7.95×10-7，本研究以此為參考，并結(jié)合表6 的損失費用單價對環(huán)焊縫失效潛在損失費進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表11。通過表11 可以看出，環(huán)焊縫破裂失效費用占據(jù)主要因素。在計算死亡賠償時，定義二級地區(qū)人口密度為0.031 人/km2，對比破裂失效費用，死亡賠償費用為環(huán)焊縫失效賠償?shù)拇我蛩亍?/p>

表11 百公里不同長度組別管段環(huán)焊縫失效潛在損失費用計算結(jié)果

3.3.3 管道失效綜合潛在損失費

管體與環(huán)焊縫失效潛在損失費計算之和即為綜合潛在損失費（見表12）。由表12 可以看出，百公里管道，在典型工況下，18 m 管道潛在失效費用較12 m 管道潛在損失費總計降低了126.56 萬元，說明減少焊縫數(shù)量能有效降低管道環(huán)焊縫失效的潛在風(fēng)險，并且可進(jìn)一步降低全生命周期成本。

表12 管道潛在損失費計算結(jié)果

4 管道全生命周期費用測算結(jié)果對比

管道全生命周期費用包括建設(shè)期費用、運營期費用和潛在損失費用，匯總?cè)脑谌芷诓煌A段的計算數(shù)據(jù)，本研究典型工況的全生命周期測算結(jié)果見表13。由表13 可知，典型工況下采用18 m 加長管管段潛在失效損失費用比采用12 m 管降低了32.55%，而全生命周期費用僅增加了250.44 萬元（整體投資增加0.35%），即使額外考慮18 m 管新增施工便道和機(jī)具改造等費用，18 m 管的應(yīng)用與12 m 管的全生命周期費用仍較為接近，說明兩種組別鋼管在建設(shè)、運營等多個階段綜合費用基本相同，18 m 管的大規(guī)模應(yīng)用在投資方面和與采用常規(guī)12 m 管的經(jīng)濟(jì)費用基本持平。

表13 直縫鋼管全生命周期費用計算結(jié)果

5 結(jié) 論

（1）管道環(huán)焊過程中不可避免地存在各種缺陷，是導(dǎo)致管體裂紋擴(kuò)展和管體失效的原因。18 m 加長管能有效降低1/3 的環(huán)焊縫數(shù)量，因此對確保管道全生命周期安全運營具有重要意義。

（2）與12 m 鋼管相比，18 m 加長管在鋼管制造方面約增加2.53%費用，在施工方面降低了20.38%費用，百公里不同管長的建設(shè)期綜合費用增加了0.53%，整體而言，18 m 加長管在建設(shè)期成本可以有效控制，總體費用與12 m 鋼管基本一致。

（3）因管材各項性能指標(biāo)相同，18 m 加長管和12 m 鋼管管體失效概率一致，但在本研究典型工況下，管體小泄露失效潛在費用占比高達(dá)99.23%，其他失效形式造成的損失遠(yuǎn)低于小泄露失效，管體總潛在損失費用僅僅為8.98 萬元。

（4）18 m 加長管和12 m 鋼管環(huán)焊縫失效概率一致，典型工況下環(huán)焊縫失效概率為7.95×10-7，但加長管顯著減低環(huán)焊縫數(shù)量，失效次數(shù)低于12 m 管，管道潛在損失總費用降低了126.56 萬元。

（5） 管道全生命周期費用包括建設(shè)期費用、運營期費用和潛在損失費用，經(jīng)計算分析，典型工況下18 m 加長管全生命周期費用比12 m 管僅增加費用250.44 萬元（整體投資增加0.35%），表明18 m 加長管的大規(guī)模應(yīng)用投資成本可以有效控制。