輸油氣管道管材等級(jí)選擇.doc

輸油氣管道管材等級(jí)選擇摘 要 在長(zhǎng)距離輸送油氣管道工程中，鋼管費(fèi)用占工程設(shè)備材料的50以上，因此合理地選用鋼管的材質(zhì)等級(jí)十分重要。分析設(shè)計(jì)輸送壓力、韌性要求、剛度和穩(wěn)定性、腐蝕及經(jīng)濟(jì)性等因素對(duì)選用鋼管材質(zhì)等級(jí)的影響，擬建了管材等級(jí)選擇模式，給出了不同輸送壓力下的管材等級(jí)選用表，舉例分析了滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的壁厚選擇，簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)外的管型應(yīng)用情況。主題詞 管道 管類 選擇 輸送壓力在80年代初期以前，我國(guó)長(zhǎng)距離輸送管道大多數(shù)使用非管道鋼的鋼管材料（簡(jiǎn)稱管材），如Q225（原A3）、16Mn及20號(hào)鋼等。隨著我國(guó)輸油管道技術(shù)水平的提高，大部分管道使用了符合美國(guó)API標(biāo)準(zhǔn)或ISO標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)要求的鋼管，這些鋼管既有國(guó)外引進(jìn)的，也有國(guó)產(chǎn)的，但使用等級(jí)均在65以下。而國(guó)外輸送管道工程則由80年代前使用70級(jí)鋼管發(fā)展到90年代使用80 級(jí)鋼管，并有向使用更高級(jí)管材（如100）方展的趨勢(shì)。一、 選用管材等級(jí)的影響因素1、 設(shè)計(jì)輸送壓力埋地鋼管在服役時(shí)由于受設(shè)計(jì)輸送壓力（內(nèi)力）P的作用，在管壁上產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力（h）及軸向應(yīng)力（a），一般要求這些應(yīng)力小于或等于管材允許使用應(yīng)力。允許使用應(yīng)力是依據(jù)管材等級(jí)，即鋼管屈服極限（s）來乘以設(shè)計(jì)系數(shù)（F）、焊縫系數(shù)（）、溫度系數(shù)（t）而定。管道壁厚是依據(jù)強(qiáng)度要求而確定的 PD/2Fst或PD/2Fs （1）式中 P設(shè)計(jì)輸送壓力；鋼管選用壁厚； D鋼管外徑；焊縫系數(shù)，選用目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件（GB/T 9711.1 9711.3）的鋼管，取1.0； F設(shè)計(jì)技術(shù)，依GB 50251-94輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范及GB 50253-94輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范 的規(guī)定選取； t溫度系數(shù)，當(dāng)輸送溫度小于120時(shí)，取1.0。由于（1）可以看出，在同一壓力與直徑下選用管材等級(jí)（用鋼管屈服強(qiáng)度表示s）越高，管子壁厚越小，管道工程總的管材用量將減少。2、 韌性要求隨著輸送應(yīng)力的提高及環(huán)境因素的影響，國(guó)內(nèi)外多次發(fā)生管道斷裂事故，因而從60年代以來對(duì)管材的韌性要求越來越高。根據(jù)文獻(xiàn)【1】提出的要求，特別是對(duì)輸送油氣的管道，不允許有脆性斷裂。按照文獻(xiàn)【2】總結(jié)的國(guó)外對(duì)管材塑性斷裂止裂的要求，沖擊功CVN值是隨著應(yīng)力h增加而增加，也隨管徑D增大而增大。而CVN值同管材的化學(xué)組分、軋制方法與過程、微晶結(jié)構(gòu)與細(xì)度等因素有關(guān)，過去提高管材強(qiáng)度是靠提高碳（C）的含量實(shí)現(xiàn)的，這反而降低了CVN值，現(xiàn)在的微合金鋼將碳（C）級(jí)硫（S）降到很低含量，而增加錳（Mn）含量，如API標(biāo)準(zhǔn)中80級(jí)管材允許碳（C）最大含量為0.18，而錳（Mn）的最大含量增至1.8。因此，現(xiàn)在的高強(qiáng)度等級(jí)管材也可以滿足高韌性要求，如加拿大要求80級(jí)管材在-5時(shí)，母材CVN值為180J、焊縫的CVN值為36J，這有利于發(fā)展高壓、大管徑輸送油氣的需要。同等級(jí)管材應(yīng)適當(dāng)增加選用壁厚，降低h值，則CVN值也可以適當(dāng)降低。3、 剛度與穩(wěn)定的要求鋼管在運(yùn)輸、儲(chǔ)藏、服役過程中，應(yīng)有一定的剛度及變形穩(wěn)定性的要求，這在GB 50251與GB 50253中均反映管材壁厚要求。雖然在一定的壓力P與管徑D條件下，選用高強(qiáng)度等級(jí)管材可以減薄壁厚，減少管材總用量，但太薄的壁厚有可能滿足不了此要求。在GB 50253-94第5.6.1條中要求D140，在 GB 50251-94第5.1.3條中，依照D的大小要求60D140。兩標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定管子在無(wú)內(nèi)壓狀態(tài)時(shí)受外力作用管子水平徑向變形量不得大于3D。在建立管材等級(jí)選用模式時(shí)，取式（2）可滿足兩個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求：60D140 （2）4、 腐蝕埋地鋼管在周圍土壤環(huán)境和輸送介質(zhì)作用下，惠產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕或H2S腐蝕，因此對(duì)材質(zhì)選用有要求。但是這種要求與材質(zhì)等級(jí)關(guān)系不大，只與材質(zhì)成分、防腐措施有關(guān)，文獻(xiàn)【3】已有論述。需要指出的是，管壁厚度對(duì)SCC是有影響的，低h厚壁有利抗SCC（應(yīng)力腐蝕裂紋）。5、 施工組焊管道工程施工組焊要求管材有良好的可焊性與較小的冷裂紋敏感系數(shù)，可焊性與材質(zhì)碳當(dāng)量有關(guān)，由于冶煉技術(shù)的提高，現(xiàn)在無(wú)論是低碳鋼還是高強(qiáng)度微合金鋼，均能控制碳當(dāng)量（Ceq），達(dá)到良好的可焊性要求。目前高強(qiáng)度等級(jí)鋼管相對(duì)于低強(qiáng)度等級(jí)鋼管需要增加施工措施，管材等級(jí)高于60級(jí)時(shí)，低溫地區(qū)組焊均要求預(yù)熱和保溫，防止冷裂紋。總的來說，施工組焊對(duì)管材等級(jí)選用影響不大。6、 經(jīng)濟(jì)影響因素管材選用的就經(jīng)濟(jì)性E，涉及管道長(zhǎng)度L、管徑D、管材等級(jí)s、鋼管壁厚、鋼管型式M及施工組焊費(fèi)用Cw，可用式（3）表達(dá)：Ef（L，D，s，M，Cw） （3）式（3）中除了L、D相對(duì)于某條管道是固定值外，M與Cw是可變因素，但不是決定因素，而決定因素是互為相關(guān)的壁厚與鋼管允許屈服強(qiáng)度s。鋼管允許屈服強(qiáng)度高，壁厚小，其經(jīng)濟(jì)性好，但要受其它影響因素控制，不能無(wú)限提高s。二、 建立管材等級(jí)選擇模式從上述6種影響因素分析看，選用管材等級(jí)決定性的因素是設(shè)計(jì)輸送壓力和剛度及穩(wěn)定性要求，為此將式（1）代入式（2）中，可得到式（4）：s（3070）PF （4）式（4）為選用管材等級(jí)建立了合理的模式，管材等級(jí)s的選用決定與輸送壓力P。如果輸送壓力低，選用了高強(qiáng)度等級(jí)管材，又要滿足剛度及穩(wěn)定要求，勢(shì)必增加壁厚，造成不經(jīng)濟(jì)的效果。根據(jù)兩個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輸送油氣管道規(guī)定的設(shè)計(jì)系數(shù)F，在依據(jù)不同的輸送壓力計(jì)算出管材等級(jí)選用表（見表1）。需要指出的是，式（4）是按最小壁厚要求建立的模式。當(dāng)設(shè)計(jì)系數(shù)F值偏小時(shí)，如三、四類地區(qū)的輸氣管道，輸送壓力超過6MPa以上的大管徑管材，要求鋼管大等級(jí)s將很高，甚至目前還無(wú)此高強(qiáng)度管材。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，選用壁厚較厚，D一般是6090，故s（30-45）PF必要時(shí)甚至更厚，以滿足要求。從表1可以看出，如果按滿足剛度及穩(wěn)定性要求選用最小壁厚的管材，在設(shè)計(jì)系數(shù)較低時(shí)，徑厚比較小，則幾乎無(wú)此等級(jí)管材用于高壓大口徑管道。因此在設(shè)計(jì)時(shí)只能適當(dāng)增加管子壁厚，以降低使用應(yīng)力h，便于選擇合適的管材?，F(xiàn)舉例說明。一條管道外徑D為711mm，設(shè)計(jì)壓力P為6.3MPa，位于四類地區(qū)，設(shè)計(jì)系數(shù)F為0.4，如何選用管材等級(jí)？根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50251-94第5.1.3條選用最小壁厚6.5mm，徑厚比D為109，則環(huán)向應(yīng)力h為：h361MPa如選用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的X70級(jí)管材，則其許用應(yīng)力為：Fst1.00.44821.0193MPa顯然h,不滿足強(qiáng)度要求，要滿足h的要求，則s902.5MPa，目前無(wú)此等級(jí)管材。如若用式（1）計(jì)算壁厚選用，則X70級(jí)管材仍可用，選用壁厚為11.6mm取標(biāo)準(zhǔn)壁厚11.9mm，其徑厚比不大于60，h滿足強(qiáng)度要求。表1 管材等級(jí)選用情況 鋼管屈服強(qiáng)度極限s（MPa）輸送壓力 設(shè)計(jì)系數(shù)FP（MPa） 0.4 0.5 0.6 0.72 5.0 375875 300700 250583 208486 6.3 4731 102.5 378882 315735 263612 9.0 6751 575 5401 260 4501 050 375875 12.0 9002 100 7201 680 6001 400 5001 167輸送壓力 對(duì)應(yīng)GB9711所列管材等級(jí)P（MPa） 設(shè)計(jì)系數(shù)F 0.4 0.5 0.6 0.725.0 L390無(wú) L320無(wú) L290無(wú) L210L485 6.3 L485無(wú) L390無(wú) L320無(wú) L290無(wú)9.0 無(wú) L555無(wú) L450無(wú) L390無(wú)12.0 無(wú) 無(wú) 無(wú) L555無(wú)輸送壓力 對(duì)應(yīng)APISepSL所列管材等級(jí)P（MPa） 設(shè)計(jì)系數(shù)F 0.4 0.5 0.6 0.725.0 X56無(wú) X46無(wú) X42X100 BX70 6.3 X70無(wú) X65無(wú) X46無(wú) X42無(wú)9.0 X100無(wú) X80無(wú) X65無(wú) X56無(wú) X100無(wú) X80無(wú)三、 結(jié)束語(yǔ)（1）輸送油氣用鋼管的等級(jí)按設(shè)計(jì)輸送壓力的高低選用，不宜低壓輸送采用高強(qiáng)度等級(jí)管材，不宜高壓輸送采用低強(qiáng)度等級(jí)管材，由于受剛度與穩(wěn)定性要求的影響，鋼管壁厚受控，造成不經(jīng)濟(jì)。（2）如條件允許，提高輸送壓力，采用高強(qiáng)度等級(jí)鋼管，選用合適的壁厚，這種設(shè)計(jì)可以增大輸量，節(jié)省管材，經(jīng)濟(jì)合理。（3）選用的管型對(duì)管道工程造價(jià)是有一定影響的，特別是我國(guó)目前尚無(wú)生產(chǎn)UOE直縫埋弧焊管的條件，依靠進(jìn)口將更不經(jīng)濟(jì)。加拿大和德國(guó)對(duì)螺旋縫焊管（SSAW）的看法，在質(zhì)量上與直縫埋弧焊管是等同的，而加拿大的油氣管道70采用了螺旋縫焊管，管徑大于914mm的鋼管幾乎全用螺旋縫焊管。但是加拿大的螺旋縫焊管在管材成型與焊縫殘余