30
Line 3 Replacement Project Final Report: Criteria for Pipe Wall Thickness Railroad Crossings Job #: 091510044 Submitted: May 1, 2015 Prepared for: Enbridge Energy Attention: Mitch Repka, Manager Engineering and Construction 1409 Hammond Ave Superior, WI 54880 Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 1 of 30

Line 3 Replacement Project Final - Minnesotamn.gov/puc-stat/documents/pdf_files/20170404_3.4rpt.pdf · Line 3 Replacement Project Final Report: ... 1409 Hammond Ave ... Code of Federal

  • Upload
    vuhanh

  • View
    215

  • Download
    1

Embed Size (px)

Citation preview

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Line 3 Replacement Project Final Report: 

Criteria for Pipe Wall Thickness ‐  

Railroad Crossings Job #: 091510044 

Submitted: May 1, 2015 

Prepared for: 

Enbridge Energy 

Attention: 

Mitch Repka, Manager Engineering and Construction 

1409 Hammond Ave  

Superior, WI 54880 

 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 1 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness ‐ Railroad Crossings  Page | 1 

TABLE OF CONTENTS 1  EXECUTIVE SUMMARY ........................................................................................................................................... 3 

2  BACKGROUND ....................................................................................................................................................... 3 

3  OBJECTIVES AND APPROACH ................................................................................................................................. 3 

3.1  PURPOSE ....................................................................................................................................................... 3 

3.2  DESIGN CRITERIA ............................................................................................................................................ 3 

3.3  ASSUMPTIONS ................................................................................................................................................ 4 

3.4  ACCEPTABLE STRESS LEVELS – CODE AND STANDARDS REVIEW .............................................................................. 5 

4  CONCLUSION ......................................................................................................................................................... 6 

5  RECOMMENDATIONS ............................................................................................................................................ 6 

APPENDIX I ‐ RESULTS ................................................................................................................................................... 7 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 2 of 30

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 3 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness ‐ Railroad Crossings  Page | 3 

1 Executive Summary 

Wall thickness requirements for railroad crossings have been evaluated for the Line 3 Replacement Project 

per the operating conditions outlined in the Class 3 Pipeline Hydraulic Proposal provided by Enbridge. Stress 

calculations  were  completed  for  uncased  pipeline  crossings  of  railroads  according  to  API  1102  Liquid 

Pipelines Crossing Railroads and Highways from 6‐14 feet below the rail. A minimum wall thickness 0.741” 

was determined based on applicable codes and standards. The most stringent requirement is Hoop Stress 

calculated with a design factor of 0.50 based on Enbridge Design Standard D06‐103, which exceeds API 1102 

and the AREMA manual minimum thickness requirements. For cased crossings of railroads the minimum 

wall thickness of the casing pipe can be determined from the AREMA manual. For 46” casing the minimum 

wall thickness for uncoated or not catholically protected pipe is 0.656” and must have a SMYS of at least 

35,000 psi.    

2 Background 

The proposed common carrier pipeline, commercially known as the “Line 3 Replacement Project,” will have 

a design capacity of 760,000 barrels per day of light/heavy crude oil blends. The proposed 36‐inch‐diameter 

interstate crude pipeline originates at the end of the 34‐inch‐diameter Maintenance and Flexibility Project 

near the Canadian/US Border, crosses North Dakota and Minnesota, and extends to a delivery point at the 

Superior  Terminal  in Wisconsin.    The  project  is  integrity driven  and will ultimately  replace  the  existing 

Enbridge 34‐inch Line 3. 

3 Objectives and Approach 

3.1 Purpose 

The purpose of this analysis is to ensure that the pipe to be installed at railroad crossings is of adequate 

strength to withstand the external and dynamic  forces exerted by rail  loads and soil overburden.    In 

addition,  it  serves  to  calculate  the  fatigue,  circumferential,  radial,  longitudinal,  and  total  effective 

stresses and  to ensure  they are within acceptable  limits as established by  the applicable  referenced 

Codes and Standards.    

3.2 Design Criteria 

The applicable and governing Codes, Standards, and Reference Documents are as follows: 

American Railroad Engineering and Maintenance‐of‐Way Association (AREMA) 

Chapter 1 Part 5 – Pipelines, 2014 Edition 

API Recommended Practice 1102 

“Steel Pipeline Crossing Railroads and Highways”, Seventh Edition, March 2014 

ASME B31.4 

“Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids”, 2012 Edition 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 4 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness ‐ Railroad Crossings  Page | 4 

Code of Federal Regulations (CFR) 

Title 49 – Transportation, Part 195 – Transportation of Hazardous Liquids by Pipeline, February 

9, 2015 

Enbridge Design Standards  

D06‐101 ‐ Piping Design and Construction, Mainline, December 17, 2014 

o Enbridge Technical Standards Bulletin# ‐ BUL-065-2014  

o Enbridge Technical Standards Bulletin# ‐ BUL-072-2014

D06‐103 – Crossing Design, November 29, 2013 

Enbridge Construction Specification 

USPCS‐SPEC‐PIPELEINE‐001 – Pipeline Construction 

Class 3 Pipeline Hydraulic Design Proposal, October 28, 2014 

o Addendum to Hydraulic Design Proposal, March 3, 2015 

Pressure Cycling Analysis Line 3R IP Worst Case, April 15, 2014 

3.3 Assumptions 

The following general assumptions were used for the pipe stress analysis: 

API Recommended Practice 1102 was used as the basis for the pipe stress analysis, as referred 

to in ASME B31.4 and Enbridge Design Standard D06‐103 

The analysis was completed for uncased crossings, for cased crossings refer to the wall thickness 

requirements in the AREMA manual 

All railroad crossings will be installed by a method that will not create bending stress during or 

after installation 

Pipeline analysis was completed for main transit railroads, not industrial or secondary spurs 

Railroad crossing stresses do not need to be reevaluated for locations with increased mainline 

wall thickness per the Pressure Cycling Analysis 

Cooper E‐80 live loading was used per API 1102 

Railroad crossing stresses do not need to be reevaluated for locations with increased mainline 

wall thickness per the Pressure Cycling Analysis Line 3R IP Worst Case 

The following inputs were used for the steel pipe characteristics: 

o Poisson’s Ratio, ν = 0.30 

o Young’s Modulus of Elasticity, E = 29 x 106 

o Coefficient of Thermal Expansion, α = 6.5 x 10‐6 

   

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 5 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness ‐ Railroad Crossings  Page | 5 

The following Pipe Operating Condition assumptions were used for the pipe stress analysis: 

The internal pressure used in the calculation will be the Maximum Operating Pressure (MOP) 

for each segment, 1440psi 

Pipe used will be pipe conforming to the API 5L specification with a weld joint factor, E=1 

Design Factor of 0.50, as outlined in Enbridge Design Standard D06‐103 

A pipe operating temperature of 140oF 

The following Site and Installation assumptions were used for the pipe stress analysis: 

Minimum depth of cover for uncased railroad crossings will be 10ft, per AREMA manual 

Minimum depth of cover for cased crossings will be 6ft as specified in Enbridge Design Standard 

D06‐103 

A  maximum  overbore  of  2  inches  per  Enbridge  Construction  Specification  USPCS‐SPEC‐

PIPELEINE‐001 

A conservative installation temperature of 0oF. Actual installation temperatures are expected to 

be higher as the construction will be completed during the summer/fall months 

Pipeline to cross a single track 

Geotechnical data as assumed per API 1102 

o Average Unit Weight of Soil, γ = 120 lb/ft3 

o Modulus of Soil Reaction, E’=0.5 ksi 

o Resilient Modulus of Soil, Er=5.0 ksi 

3.4 Acceptable Stress Levels – Code and Standards Review 

49 CFR 195 requires that any external pressure that is to be exerted on the pipe is to be provided for in 

the design of such a system. ASME B31.4 and Enbridge Design Standard D06‐103 both reference the use 

of  API  1102  for  determining  the  resultant  stresses  due  to  the  external  pressures  applied  by  soil 

overburden and rail loads.  The required and/or recommended stress criterion for crossing analysis is 

outlined in Table 1 below.    

Table 1:  Allowable Stress Criteria 

Stress Type  Allowable Stress ‐ Liquids  Reference 

Hoop Stress due to Internal Pressure  0.50 SMYS Enbridge Design Standard D06‐103*

Total Effective Stress due to Internal 

Pressure, Wheel Loads, Earth Loads 

and ΔT (US), Combined hoop and 

Longitudinal Stress (CA) 

0.90 SMYS  ASME B31.4, API 1102  

Fatigue Stress in Girth and 

Longitudinal Welds 

The general design check for 

Fatigue on Girth (ΔSLh≤SFG x F) and 

Long welds (ΔSHh≤SFG x F) 

ASME B31.4, API 1102 

*A design factor of 0.72 is used by API 1102 and 0.60 by AREMA 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 6 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness ‐ Railroad Crossings  Page | 6 

4 Conclusion 

The wall thickness for railroad crossings is calculated to achieve the maximum operating pressure (MOP) in 

accordance with applicable codes, standards, and projected operating conditions of the proposed Line 3 

Replacement Project.   The calculations were completed  in accordance with AREMA, ASME – B31.4, API  ‐ 

1102, Enbridge Design Standards D06‐101 – Piping Design and Construction and D06‐103 – Crossing Design, 

and the Enbridge Construction Specification ‐ USPCS‐SPEC‐PIPELINE‐001. 

The evaluation included reviewing Enbridge Design Standard D06‐101, to confirm adherence, it should be 

noted  that  the  current  design  temperature  of  140°F  is  higher  than  the  maximum  allowable  design 

temperature of 100°F as stated in the Technical Standards Bulletin BUL‐065‐2014 associated with Enbridge 

Design Standard D06‐101. It is LSC’s understanding that a project decision record is being developed. The 

current design temperature  is within the acceptable  limits for railroad crossing pipe as outlined  in ASME 

B31.4 2012 Edition, such that it is not necessary to vary the design calculation. 

The  railroad crossing wall  thickness  is calculated  to meet  the minimum  thickness  required  for  the MOP, 

operating conditions as defined in the Class 3 Hydraulic Design Proposal, and rail traffic and soil overburden 

loading.  In addition, it serves to calculate the fatigue, circumferential, radial, longitudinal, and total effective 

stresses and to ensure they are within acceptable limits as established by the applicable referenced Codes 

and Standards.    

5 Recommendations 

An analysis was completed to determine if the mainline nominal wall thickness of 0.515” met the strength 

requirements for an uncased railroad installation for depths from 6‐14 feet. The stress analysis showed that 

pipe with a wall thickness of 0.515” would not meet the hoop stress or total effective stress limits as defined 

by the codes and standards.  

A minimum wall  thickness of 0.741” was  found  to meet  the criteria of 50% hoop  stress as described  in 

Enbridge  Design  Standard  D06‐103,  which  is  the most  stringent  specification.  Other  criteria  that  was 

analyzed  included Barlow stress, effective stress, and weld fatigue for uncased railroad  installations. This 

wall thickness is acceptable at depths from 6‐14 feet per the API 1102 stress calculations.  

If the railroad is crossed using a casing pipe, the inside diameter of the casing pipe shall be large enough to 

allow the carrier pipe to be installed within the casing, taking into account spacing between the carrier pipe 

and  casing  pipe.  The  wall  thickness  of  casing,  pipe  can  be  determined  from  the  AREMA  manual.  A 

recommended casing OD of 46” would require a wall thickness for uncoated or not catholically protected 

pipe of 0.656”, and must have a SMYS of at least 35,000 psi.    

 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 7 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness ‐ Railroad Crossings  Page | 7 

APPENDIX I ‐ RESULTS    

SUMMARY TABLE 

Stress (psi)  Allowable Calculated 0.688" 

Calculated 0.741" 

Barlow Stress  35,000  37,674  34,980 

Effective Stress  63,000  55,711  52,707 

Girth Welds   6,000  5,616  5,500 

Long. Welds  11,700  8,388  8,136 

Pass/Fail     Fail  Acceptable 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 8 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness ‐ Railroad Crossings  Page | 8 

0.688” ANALYSIS 

   

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 9 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness ‐ Railroad Crossings  Page | 9 

0.741” ANALYSIS 

 

 

 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 10 of 30

 

 

  Line 3 Replacement Project Final Report: 

Criteria for Pipe Wall Thickness – 

Road Crossings Job #: 091510044 

Submitted: May 1, 2015 

Prepared for: 

Enbridge Energy 

Attention: 

Mitch Repka, Manager Engineering and Construction 

1409 Hammond Ave  

Superior, WI 54880 

 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 11 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness –Road Crossings  Page | 1 

TABLE OF CONTENTS 1  EXECUTIVE SUMMARY ........................................................................................................................................... 3 

2  BACKGROUND ....................................................................................................................................................... 3 

3  OBJECTIVES AND APPROACH ................................................................................................................................. 3 

3.1  PURPOSE ....................................................................................................................................................... 3 

3.2  DESIGN CRITERIA ............................................................................................................................................ 3 

3.3  ASSUMPTIONS ................................................................................................................................................ 4 

3.4  ACCEPTABLE STRESS LEVELS – CODE AND STANDARDS REVIEW .............................................................................. 5 

4  CONCLUSION ......................................................................................................................................................... 6 

5  RECOMMENDATIONS ............................................................................................................................................ 6 

APPENDIX I ‐ RESULTS ................................................................................................................................................... 7 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 12 of 30

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 13 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness –Road Crossings  Page | 3 

1 Executive Summary 

Wall thickness requirements for road crossings have been evaluated for the Line 3 Replacement Project per 

the operating conditions outlined  in the Class 3 Pipeline Hydraulic Proposal provided by Enbridge. Stress 

calculations were completed for uncased pipeline crossings of roads according to API 1102 Liquid Pipelines 

Crossing Railroads and Highways from 4‐10 feet below the road surface. Based upon applicable codes and 

standards, the minimum wall thickness for 36” OD, API 5L X‐70 pipe  is 0.550”.   Additionally,  installations 

from 10‐20 feet below the road surface with a wall thickness of 0.550” were confirmed to be acceptable 

using ANSI GPTC Z380.1 Uncased Crossing Design. 

2 Background  

The proposed common carrier pipeline, commercially known as the “Line 3 Replacement Project,” will have 

a design capacity of 760,000 barrels per day of light/heavy crude oil blends. The proposed 36‐inch‐diameter 

interstate crude pipeline originates at the end of the 34‐inch‐diameter Maintenance and Flexibility Project 

near the Canadian/US Border, crosses North Dakota and Minnesota, and extends to a delivery point at the 

Superior  Terminal  in Wisconsin.  The  project  is  integrity  driven  and will  ultimately  replace  the  existing 

Enbridge 34‐inch Line 3. 

3 Objectives and Approach 

3.1 Purpose 

The purpose of this analysis is to ensure that the pipe to be installed at highway or road crossings is of 

adequate  strength  to withstand  the  external  and  dynamic  forces  exerted  by  traffic  loads  and  soil 

overburden.  In addition, it serves to calculate the fatigue, circumferential, radial, longitudinal, and total 

effective  stresses  and  to  ensure  they  are within  acceptable  limits  as  established  by  the  applicable 

referenced Codes and Standards.    

3.2 Design Criteria 

The applicable and governing Codes, Standards, and Reference Documents are as follows: 

API Recommended Practice 1102 

“Steel Pipeline Crossing Railroads and Highways”, Seventh Edition, March 2014 

ASME B31.4 

“Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids”, 2012 Edition 

ANSI GPTC Z380.1 Appendix G‐192‐15 

“Guide for Gas Transmission and Distribution Piping Systems”, 2012 

American Lifelines Alliance 

"Guideline for the Design of Buried Steel Pipe" 2001 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 14 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness –Road Crossings  Page | 4 

Code of Federal Regulations (CFR) 

Title 49 – Transportation, Part 195 – Transportation of Hazardous Liquids by Pipeline, February 

9, 2015 

Enbridge Design Standards 

D06‐101 ‐ Piping Design and Construction, Mainline, December 17, 2014 

o Enbridge Technical Standards Bulletin# ‐ BUL-065-2014  

o Enbridge Technical Standards Bulletin# ‐ BUL-072-2014

D06‐103 – Crossing Design, November 29, 2013 

Enbridge Construction Specification 

USPCS‐SPEC‐PIPELEINE‐001 – Pipeline Construction 

Class 3 Pipeline Hydraulic Design Proposal, October 28, 2014 

o Addendum to Hydraulic Design Proposal, March 3, 2015 

Pressure Cycling Analysis Line 3R IP Worst Case, April 15, 2014 

3.3 Assumptions 

The following general assumptions were used for the pipe stress analysis: 

API Recommended Practice 1102 was used as the basis for the pipe stress analysis, as referred 

to in ASME B31.4 and Enbridge Design Standard D06‐103 for depths from 4‐10 feet 

ANSI GPTC Z380.1 was used as the basis for pipe stress analysis to confirm use of the API 1102 

specified wall thickness for depths from 10‐20 feet 

All highway or road crossings will be uncased 

All highway or road crossings will be installed by a method that will not create a bending stress 

during or after installation 

Highway or road crossing stresses do not need to be reevaluated for locations with increased 

mainline wall thickness per the Pressure Cycling Analysis Line 3R IP Worst Case 

The following inputs were used for the steel pipe characteristics: 

o Poisson’s Ratio, ν = 0.30 

o Young’s Modulus of Elasticity, E = 29 x 106 

o Coefficient of Thermal Expansion, α = 6.5 x 10‐6 

The following Pipe Operating Condition assumptions were used for the pipe stress analysis: 

The Internal pressure used in the calculation will be the Maximum Operating Pressure (MOP) 

for each segment, 1,440 psi 

Pipe used will be pipe conforming to the API 5L specification with a weld joint factor, E=1 

Design Factor of 0.72 as outlined in API 1102 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 15 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness –Road Crossings  Page | 5 

A pipe operating temperature of 140oF;    

The following Site and Installation assumptions were used for the pipe stress analysis: 

Minimum depth of cover for highway and road crossings will be 4 feet as specified in API 1102 

and Enbridge Design Standard D06‐103 

A  maximum  overbore  of  2  inches  per,  Enbridge  Construction  Specification  USPCS‐SPEC‐

PIPELEINE‐001 

A conservative installation temperature of 0oF. Actual installation temperatures are expected to 

be higher as the construction will be completed during the summer/fall months 

Design wheel load for a single axle of 12,000lbs, as recommended by API 1102 for the maximum 

design load for a single axle 

Design wheel  load  for  a  tandem  axle  of  10,000lbs,  as  recommended  by  API  1102  for  the 

maximum design load for a tandem axle 

Tandem axle loading is the critical loading for all diameters at depths greater than 4 feet, per 

API 1102 Table 1 

Unpaved Roads.   By API  1102  this would be  the most  conservative  approach  as  asphalt  or 

concrete would not be present to aid in distributing the traffic loads 

Geotechnical data as assumed by API 1102: 

o Average Unit Weight of Soil, γ = 120 lb/ft3 

o Modulus of Soil Reaction, E’=0.2 ksi  

o Resilient Modulus of Soil, Er=5.0 ksi 

3.4 Acceptable Stress Levels – Code and Standards Review 

CFR 195 requires that any external pressure that is to be exerted on the pipe to be provided for in the 

design of such a system.   ASME B31.4 and Enbridge D06‐103 both reference the use of API 1102 for 

determining the resultant stresses due to the external pressures applied by soil overburden and traffic 

loads.   The required and/or recommended stress criterion for crossing analysis  is outlined  in Table 1 

below.    

Table 1:  Allowable Stress Criteria 

Stress Type  Allowable Stress ‐ Liquids Reference

Hoop Stress due to Internal Pressure  0.72 SMYS   CFR 195, ASME B31.4

Longitudinal Stress due to ΔT, Wheel Loads 

and Earth Loads 0.90 SMYS   ASME B31.4 

Total Effective Stress due to Internal 

Pressure, Wheel Loads, Earth Loads and ΔT 

(US), Combined hoop and Longitudinal 

Stress (CA) 

0.90 SMYS  ASME B31.4, API 1102 

Fatigue Stress in Girth and Longitudinal 

Welds 

The general design check for Fatigue on Girth 

(ΔSLh≤SFG x F) and Long welds (ΔSHh≤SFG x F)  ASME B31.4, API 1102 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 16 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness –Road Crossings  Page | 6 

4 Conclusion 

The wall thickness for road crossings is calculated to achieve the MOP in accordance with applicable codes, 

standards, and projected operating conditions of the proposed Line 3 Replacement Project.  The calculations 

were completed  in accordance with ASME – B31.4, API  ‐ 1102, ANSI  ‐ GPTC Z380.1 Appendix G‐192‐15, 

Enbridge Design Standards D06‐101 – Piping Design and Construction and D06‐103 – Crossing Design, and 

the Enbridge Construction Specification ‐ USPCS‐SPEC‐PIPELINE‐001. 

The evaluation included reviewing Enbridge Design Standard D06‐101, to confirm adherence, it should be 

noted  that  the  current  design  temperature  of  140°F  is  higher  than  the  maximum  allowable  design 

temperature of 100°F as stated in the Technical Standards Bulletin BUL‐065‐2014 associated with Enbridge 

Design Standard D06‐101. It is LSC’s understanding that a project decision record is being developed. The 

current design temperature is within the acceptable limits for road crossing pipe as outlined in ASME B31.4 

2012 Edition, such that it is not necessary to vary the design calculation. 

The  road  crossing wall  thickness  is  calculated  to meet  the minimum  thickness  required  for  the MOP, 

operating conditions as defined  in the Class 3 Hydraulic Design Proposal, and traffic and soil overburden 

loading.  In addition, it serves to calculate the fatigue, circumferential, radial, longitudinal, and total effective 

stresses and to ensure they are within acceptable limits as established by the applicable referenced Codes 

and Standards.    

5 Recommendations 

An analysis was completed to determine if the mainline nominal wall thickness of 0.515” met the strength 

requirements for uncased road crossing  installations up to 20 feet depth. At depths below 20 feet a site 

specific engineering design is required. The stress analysis showed that pipe with a wall thickness of 0.515” 

would not meet the effective stress limits as defined by Codes and Standards.  

A minimum wall  thickness  of  0.550” was  found  to meet  the  criteria  of  fatigue,  circumferential,  radial, 

longitudinal, and total effective stresses as established by the applicable referenced Codes and Standards. 

This wall thickness is acceptable at depths from 4‐20 feet per API 1102 and ANSI GPTC Z380.1 Appendix G‐

192‐15 calculations.  

    

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 17 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness –Road Crossings  Page | 7 

APPENDIX I ‐ RESULTS 

 

SUMMARY TABLE      

Stress (psi)  Allowable Calculated 0.515" 

Calculated 0.550" 

Barlow Stress  50,400  50,330  47,127 

Effective Stress  63,000  66,419  62,927 

Girth Welds   8,640  1,458  1,458 

Long. Welds  11,700  2,327  2,329 

Pass/Fail     Fail  Acceptable 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 18 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness –Road Crossings  Page | 8 

0.515” ANALYSIS 

 

 

 

 

   

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 19 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness –Road Crossings  Page | 9 

0.550” ANALYSIS 

 

 

 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 20 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness –Road Crossings  Page | 10 

 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 21 of 30

 

 

  Line 3 Replacement Project Final Report: 

Criteria for Pipe Wall Thickness ‐ MainlineJob #: 091510044 

Submitted: May 1, 2015 

Prepared for: 

Enbridge Energy 

Attention: 

Mitch Repka, Manager Pipeline Engineering & Construction 

1409 Hammond Ave.  

Superior, WI 54880 

 

 

 

 

 

 

 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 22 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness ‐ Mainline  Page | 1 

TABLE OF CONTENTS 1  EXECUTIVE SUMMARY ........................................................................................................................................... 3 

2  BACKGROUND ....................................................................................................................................................... 3 

3  OBJECTIVES AND APPROACH ................................................................................................................................. 3 

3.1  PURPOSE ....................................................................................................................................................... 3 

3.2  DESIGN CRITERIA ............................................................................................................................................ 3 

3.3  ASSUMPTIONS ................................................................................................................................................ 4 

3.4  APPROACH .................................................................................................................................................... 4 

4  CONCLUSION ......................................................................................................................................................... 5 

5  RECOMMENDATION .............................................................................................................................................. 5 

APPENDIX I ‐ LINE DESCRIPTION SUMMARY .................................................................................................................. 6 

APPENDIX II ‐ PRESSURE PROFILE .................................................................................................................................. 7 

APPENDIX III ‐ SUMMARY OF RESULTS .......................................................................................................................... 8 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 23 of 30

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 24 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness ‐ Mainline  Page | 3 

1 Executive Summary 

The minimum wall thickness requirements for mainline pipe have been evaluated for the Line 3 Replacement 

Project per the operating conditions outlined in the Class 3 Pipeline Hydraulic Design Proposal provided by 

Enbridge. Based upon applicable codes and standards, the minimum wall thickness for 36” OD, API 5L X‐70 

pipe is 0.515”. 

2 Background 

The proposed common carrier pipeline, commercially known as the “Line 3 Replacement Project,” will have 

a design capacity of 760,000 barrels per day of light/heavy crude oil blends. The proposed 36‐inch‐diameter 

interstate crude pipeline originates at the end of the 34‐inch‐diameter Maintenance and Flexibility Project 

near the Canadian/US Border, crosses North Dakota and Minnesota, and extends to a delivery point at the 

Superior  Terminal  in Wisconsin.    The  project  is  integrity driven  and will ultimately  replace  the  existing 

Enbridge 34‐inch Line 3. 

3 Objectives and Approach 

3.1 Purpose 

To determine  a nominal wall  thickness  for mainline pipe  satisfying  requirements  for  the maximum 

operating pressure  (MOP)  in  accordance with  applicable  codes,  standards,  and projected operating 

conditions of the proposed Line 3 Replacement Project. 

3.2 Design Criteria 

The applicable and governing Codes, Standards, and Reference Documents are as follows: 

ASME B31.4 

“Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids”, 2012 Edition 

Code of Federal Regulations (CFR) 

Title 49 – Transportation, Part 195 – Transportation of Hazardous Liquids by Pipeline, February 

9, 2015 

Enbridge Design Standards  

D06‐101 ‐ Piping Design and Construction, Mainline, December 17, 2014 

o Enbridge Technical Standards Bulletin# ‐ BUL-065-2014  

o Enbridge Technical Standards Bulletin# ‐ BUL-072-2014

D06‐104 – Pipe and Fittings, Steel, December 18, 2013 

o Enbridge Technical Standards Bulletin# ‐ BUL-064-2014 

Enbridge Equipment Standard 

EES 103 – Submerged‐Arc‐Welded Steel Pipe, November 29, 2013 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 25 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness ‐ Mainline  Page | 4 

Class 3 Pipeline Hydraulic Design Proposal, October 28, 2014 

o Addendum to Hydraulic Design Proposal, March 3, 2015 

Pressure Cycling Analysis Line 3R IP Worst Case, April 15, 2014 

3.3 Assumptions 

36” outside diameter (OD), in accordance with API 5L X‐70  

Maximum operating pressure of 1,440 psi, as outlined in the hydraulic summary 

Maximum operating temperature of 140°F, as outlined in the hydraulic summary 

Design Factor of 0.72, as outlined in ASME B31.4 

Weld Joint Factor of 1, as outlined in ASME B31.4 

D/t ratio of less than 100, as outlined in Enbridge Design Standard D06‐101 

Additional mainline wall thickness requirements downstream of pump stations were required 

from the Pressure Cycling Analysis Line 3R IP Worst Case completed by Enbridge 

Wall thickness is rounded up to the nearest thousandth to meet the 0.72 design factor  

3.4 Approach 

The minimum mainline wall thickness requirement  is calculated  in accordance with ASME B31.4 and 

Enbridge Design Standard D06‐101, using Barlow’s equation and checking the D/t ratio as shown below.  

 

 

Where: 

t nominal wall thickness (in) 

Pi internal design pressure (psi)

D nominal outside diameter of pipe (in)

S yield strength (psi) 

Where:

F design factor based from Table 403.3.1‐1 

E weld joint factor 

Sy = specified minimum yield strength of the pipe (psi) 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 26 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness ‐ Mainline  Page | 5 

 

100 

Where: 

D nominal outside diameter of pipe (in) 

t nominal wall thickness (in) 

4 Conclusion 

The nominal wall thickness for mainline pipe is calculated to achieve the MOP in accordance with applicable 

codes, standards, and projected operating conditions of  the proposed Line 3 Replacement Project.   The 

calculation was completed using Barlow’s equation as outlined in ASME B31.4 2012 Edition and the Enbridge 

Design Standard D06‐101 – Piping Design and Construction. 

The evaluation included reviewing Enbridge Design Standard D06‐101, to confirm adherence, and it should 

be  noted  that  the  current  design  temperature  of  140°F  is  higher  than  the maximum  allowable  design 

temperature of 100°F as stated in the Technical Standards Bulletin BUL‐065‐2014 associated with Enbridge 

Design Standard D06‐101. It is LSC’s understanding that a project decision record is being developed.   The 

current design temperature is within the acceptable limits for mainline pipe as outlined in ASME B31.4, such 

that it is not necessary to vary the design stress calculation.  

The pipe wall  thickness was designed  to accommodate  the MOP profile defined  in  the Class 3 Hydraulic 

Design Proposal, ensuring the MOP between pump stations accounts for elevations at the required discharge 

pressures to meet the proposed design capacity (see Appendix I ‐ Line Description Summary and Appendix 

II ‐ Pressure Profile). 

Further, the diameter to thickness ratio (D/t ratio) was evaluated to determine whether or not the calculated 

thickness is susceptible to flattening, ovality, buckling, and denting; a D/t ratio greater than 100 may require 

additional protective measures during construction.  The D/t ratio for the Line 3 Replacement Project is less 

than 100; therefore, as outlined in ASME 31.4 and Enbridge Design standard D06‐101, normal construction 

procedures can be followed. 

5 Recommendation 

The minimum wall thickness for mainline pipe has been evaluated for the Line 3 Replacement Project per 

the operating conditions outlined  in the Class 3 Pipeline Hydraulic Proposal provided by Enbridge. Based 

upon applicable codes and standards, the minimum wall thickness for 36” OD API 5L X‐70 pipe  is 0.515”, 

resulting in a D/t ratio of 64.1.  See Appendix III ‐ Summary of Results for calculations. 

The Enbridge Pressure Cycling Analysis recommends additional wall thickness downstream of Clearbrook, 

Two Inlets, Backus, and Palisade Stations. Wall thicknesses of 0.750” and 0.600” are specified as mainline 

thicknesses  to be used. The specific distances downstream of each station can be  found  in  the Pressure 

Cycling Analysis Line 3R IP Worst Case, April 15, 2014.  

 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 27 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness ‐ Mainline  Page | 6 

APPENDIX I ‐ LINE DESCRIPTION SUMMARY 

The following Line Description Summary taken from the Hydraulic Design Proposal outlines the required wall thicknesses for eight (8) different segments 

of the proposed Line 3 Replacement Pipeline.  Segment 8 references the US portion of the Line 3 Replacement Project, starting at the end of the Line 3 

Maintenance and Flexibility Project terminating at the Superior Terminal.   

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 28 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness ‐ Mainline  Page | 7 

APPENDIX II ‐ PRESSURE PROFILE 

The following Pressure Profile taken from the Hydraulic Design Proposal  illustrates the MOP along the entire Line 3 Replacement Project route.   The 

profile shows that at no point will the pressure exceed the designed MOP of 1,440 psi, further validating the current design wall thickness criteria.  

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 29 of 30

Excellence & Integrity  

Criteria for Pipe Wall Thickness ‐ Mainline  Page | 8 

APPENDIX III ‐ SUMMARY OF RESULTS  

 

Simonson Direct CN & PPL Testimony, Ex. ___, Schedule 3 Page 30 of 30