天然氣輸送管道選材分析

44石油規劃設計2007年7月天然氣輸送管道選材扮析劉銀春*劉祎王登海常志波徐海翔西安長(cháng)慶科技工程有限責任公司四川天馳建設工程有限責任公司劉銀春等，天然氣輸送管道選材分析.石油規劃設計，2007, 18 (4) : 44~47摘要隨著(zhù)人們對天然氣需 求量的不斷增加，天然氣輸送管道建設也迅速發(fā)展，并且需要高壓力、大流量的鋼管。在天然氣輸送鋼管選材中應考慮其強度、韌性、可焊性和耐蝕性，論述了判斷管材強度和韌性須考慮的技術(shù)指標以及判斷管材可焊性的兩個(gè)指標。闡述了輸送介質(zhì)的4種腐蝕破壞形式及腐蝕機理，提出了在天然氣輸送管道選材中應注意的問(wèn)題。關(guān)鍵詞天然氣輸送管道強度韌性焊接腐蝕選材分析隨著(zhù)人們對天然氣需求的不斷增加，輸氣管道節約大量鋼材，降低建設成本。目前，輸氣管道是建設也得以迅速發(fā)展。天然氣管道輸送作為一種經(jīng)通過(guò)采用大口徑和高輸氣壓力的技術(shù)措施來(lái)提高經(jīng)濟、安全、高效的輸送方式而被廣泛應用。目前，濟效益，因此，要求管材有較高的強度。據計算，高壓輸送和嚴酷的環(huán)境對輸送管道提出了嚴格的技一條輸送壓力為7. 5MPa，直徑為1400m的輸氣管術(shù)性能要求。通過(guò)對天然氣輸送管的發(fā)展趨勢、管道可代替3條壓力為5. 5MPa，直徑為1000mm的管道服役條件、主要失效形式和失效原因等方面的綜道，可節省投資約35%，節省鋼材約19%。對同一合評價(jià)，對天然氣輸送用鋼管材質(zhì)強度、韌性、可管徑，如果輸氣的工作壓力從7. 5MPa提高到10~焊性和耐蝕性4個(gè)方面提出了具體的技術(shù)要求[1。12MPa，輸氣能力將提高33%~60%，而且高等級鋼可以降低鋼管的壁厚,減少現場(chǎng)施工焊接的時(shí)間，1強度要求從而降低鋼材重量和建設成本。-般來(lái)說(shuō)每提高鋼管強度主要指屈服強度和抗拉強度。屈服強個(gè)鋼級，可節約建設成本約7%。度表示材料抵抗塑性變形的能力，-般情況下，屈1.2提高鋼管 強度的技術(shù)指標服強度越高，材料強度越高，韌性則降低。 輸氣管1.2.1屈強比道的屈服強度-般為245~555MPa， 計算時(shí)- 般采屈強比即屈服強度與抗拉強度之比值，表示材用產(chǎn)品的公稱(chēng)最低屈服強度(SMYS)?？估瓘姸仁侵噶纤苄宰冃蔚哪芰?，屈強比與材料塑性變形能力和金屬在拉斷前所承受的最大應力，輸氣管道的抗拉加工硬化能力有關(guān)。從管道安全性考慮，高鋼級鋼強度-般為415~ 625MPa。管的屈強比不應過(guò)大，因為屈強比越大，環(huán)向應變1.1 提高鋼管強度的原因允許值越小，試驗和運行壓力越接近鋼管的抗拉強天然氣輸氣管道向著(zhù)高壓、大流量、長(cháng)距離發(fā)度，母材和焊接接頭對缺陷的容忍能力就越小。在展的趨勢越來(lái)越明顯。隨著(zhù)管道輸送壓力、直徑的很多管道用鋼管的技術(shù)規范中對材料的屈強比進(jìn)明顯增高，提高鋼管強度即采用高鋼級鋼管，可以*劉銀春，男，1981年生，助理工程師。2005年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲運工程專(zhuān)業(yè)，現在西安長(cháng)慶科技工程有限責任公司工作。通信地址:陜西省西安市未央區長(cháng)慶興隆園小區長(cháng)慶大廈908室，710021第18卷第4期劉銀春等:天然氣輸送管道選材分析行了限制規定，-般在0.85~0.93 范圍內。裂紋將長(cháng)程擴展，造成嚴重后果;相反，如果韌性IS08183-3規范中規定，低于X52鋼管屈強比不允較大，則有可能止裂。因此，對管材韌性技術(shù)要求許超過(guò)0.90，超過(guò)X52鋼管的屈強比不允許超過(guò)包括兩個(gè)方面:一 是 確保不發(fā)生脆性斷裂;二是斷0.92，但API Spec 5L僅對冷擴徑鋼管作做出了屈裂后在一定管長(cháng)內止裂。目前，隨著(zhù)冶金技術(shù)、輸強比不超過(guò)0.93的規定。為了保證高等級鋼管道氣壓力提高，脆性斷裂事故基本得到控制，而經(jīng)常的安全性，一般油氣管道的技術(shù)條件都對屈強比做發(fā)生的是延性斷裂事故。出規定[2 [3] [4][5]。2.2延性斷裂[1][4][9]延性斷裂的止裂是輸氣管道的突出問(wèn)題。國外1.2.2包申格效應 ( Bauschi nger Eff eet )包申格效應是材料的塑性力學(xué)現象。包申格效應已進(jìn)行了大量的研究，提出了輸氣管道選用鋼管延的特點(diǎn): -是只有多晶體材料才有包申格效應，單性斷裂與CVN (夏比沖擊值)的關(guān)系。近年來(lái)，針晶體材料則沒(méi)有;二是包申格效應的大小與材料(主對高壓、大口徑天然氣輸送管道的發(fā)展，已有的止要指管材)的化學(xué)成分、晶粒度大小以及軋制工藝裂經(jīng)驗公式預測已經(jīng)不能有效地保障管道安全，因有關(guān);三是包申格效應的大小還與塑性變形量有關(guān)此，國外研究人員提出了新的解決方法。如Leis系，塑性變形量在某- -數值時(shí)包申格效應最高，塑修正法、DWT (落錘試驗)法、HP法和(TOA) c性變形量再大時(shí)，包申格效應減小，甚至消失。描法等。述包申格效應大小的稱(chēng)為包申格效應值(簡(jiǎn)稱(chēng).VBE)，指同一管材制成管后，前后屈服值的差。VBE如果使管材在-定長(cháng)度內能夠止裂，要求管道一般為 40~ 50MPa,個(gè)別的能達到70MPa。因此，為管具有足夠高的夏比沖擊韌性。夏比V型缺口沖擊保證焊管成品的屈服強度達到技術(shù)標準的要求,鋼試驗( 測取CVN值)，在最低操作溫度下，CVN值在板的屈服強度應留有足夠的余量，以彌補包申格效0.125NYS.J以上， 就可以控制延性斷裂。對于焊應對鋼管屈服強度的影響。--般規定，鋼板應比鋼縫一般按不起裂計算韌性。管高一個(gè)等級，或者在該級別鋼的SMYS的基礎上提2.3管材止裂應注意的問(wèn)題[10高40~ 50MPa。鋼板訂貨時(shí)要求管材的最小韌性值大于其止裂2韌性要求韌性的預測值，可使發(fā)生延性斷裂時(shí)能夠止裂。韌性指金屬材料在斷裂前所吸收出的能量，亦對同一直徑和壁厚的螺旋埋弧焊管和直縫埋弧即外力所作的形變功和斷裂功之和，它是材料抵抗焊管止裂韌性的要求相同。裂紋擴展能力的度量。天然氣輸送管道所規定管道焊縫韌性不起止裂作用，其數值只要能防止延止裂韌性要求，是指材料止裂所需的韌性，既要最性起裂即可;母材的韌性則應大到足以阻止延性裂大限度地容忍初始缺陷，又要在延性斷裂裂紋一旦紋的擴展。萌生后止裂(將斷裂長(cháng)度控制在一定范圍)， 同時(shí)又為了保證實(shí)驗室測得的CVN和DVTT數據可靠能滿(mǎn)足批量生產(chǎn)管材的經(jīng)濟性要求。-般管道工作性，要求所用設備的最大能力應為所測數據的兩倍。溫度越低，鋼管強度等級越高，管徑和壁厚越大，對管材的韌性要求越高[2。3可焊性要求[2] [11] [12] [13]2.1提 高鋼管韌性的原因[41[8]鋼管韌性是影響輸氣管道安全可靠的主要因素可焊性主要取決于鋼的化學(xué)成分，是獲得可靠之一。管道斷裂分為脆性斷裂和韌性斷裂兩種形式。焊接的重要保證。管材具有良好的可焊性是保證管脆性斷裂是由低溫、應力、裂紋缺陷3個(gè)條件共同道焊接質(zhì)量、管道使用壽命及可靠性的重要指標。作用造成的，其裂紋常在遠低于管材屈服強度條件管材的可焊性-般用兩種判別指標。下突然發(fā)生。解決脆性斷裂可以采用消除鋼管裂紋3.1碳含量缺陷和提高管材的斷裂韌性?xún)煞N方法，前者屬于制將影響可焊性的許多化學(xué)元素，其中以碳為主管和施工注意的問(wèn)題，后者通過(guò)提高本身性能指標要影響因素，折合成碳當量( Ceq)來(lái)判斷可焊性來(lái)防止鋼管斷裂。韌性斷裂是指過(guò)大拉應力和裂紋的優(yōu)劣。缺陷同時(shí)存在的條件下，由細小裂紋逐漸擴展而最Mn，Cr+ Mo+V, Ni+ Cu終造成的斷裂。如果管材的韌性較低，其裂紋擴展Ceq=C+g+5I5(1)的速度相對較快，有可能大于天然氣減壓波速度,-般認為碳含量≤0.25%，而且Ceq在0. 35~46石油規劃設計2007年7月0.42之間，管材具有較好的焊接性能。X60 以上的硫化氫溶液中產(chǎn)生氫原子，當氫原子滲透到管管材也可用冷裂紋敏感系數( Pcm)來(lái)判斷，輸氣材里，將使鋼材晶粒間的原子結合力降低，造成鋼管道的Pcm≤0.20，Pcm 的計算公式為:材的延伸率、斷面收縮率降低，隨著(zhù)應變速度和溫Pom=C+Ni + si. + Mn+Cu+Cr + Mo+ !Y+5B (2)度的變化，鋼材強度也發(fā)生很大的變化，引起脆性60 302015 10斷裂。目前，解決辦法是控制管道鋼板和焊接接頭3.2 熱影響區域的硬度熱影響區域的硬度是衡量可焊性的另一個(gè)指的硬度。但這并不是絕對有效，特別是有焊接應力標。碳當量越高，冷卻速度越快，則熱影響區的硬存在時(shí)。度越高。從800C到300C的冷卻速度影響熱影響區4.4氫致開(kāi)裂[4[1621的顯微組織，冷卻速度加快會(huì )使熱影響區的硬度增氫致開(kāi)裂是輸氣管道失效的主要模式之一，其大，組織變脆;從300"C到100°C冷卻速度影響焊接產(chǎn)生的原因是硫化氫溶液中產(chǎn)生的氫原子通過(guò)金屬金屬中氫的擴散，會(huì )降低熱影響區的韌性和增大對表面深入基體內部:氫原子在金屬內部沿軋制方向裂紋的敏感性。-般焊縫與熱影響區金屬的宏觀(guān)硬在非金屬夾雜物和晶體缺陷等處聚集，并結合成氫度不得超過(guò)HRC22 (洛氏硬度)或者H248 (維氏硬度)。分子，產(chǎn)生巨大的內壓力。顯微缺陷處的氫壓可以超過(guò)材料的斷裂強度，即使不存在殘余應力也可能4耐蝕性要求形成HC。HC的影響因素包括環(huán)境因素和材料因天然氣輸送管道的腐蝕主要包括輸送介質(zhì)的腐素。環(huán)境因素主要包括HS濃度、pH值、CQ濃度、蝕、沖刷腐蝕和外腐蝕。沖刷腐蝕一般通過(guò)控制流溫度等;材料因素主要有化學(xué)成分、非金屬夾雜物速，采用環(huán)形流動(dòng)設計、大圓周半徑彎頭和三通進(jìn)和顯微組織。行控制。外腐蝕防護主要通過(guò)外防腐涂層和陰極保護。因此，沖刷腐蝕和外腐蝕對材質(zhì)的影響不大。提高管道鋼抗HIC能力的主要措施包括:一是材質(zhì)的耐蝕性主要考慮輸送介質(zhì)的腐蝕。輸送介質(zhì)提 高鋼的純度。采用精抖、高效鐵水預處理及復合的腐蝕破壞主要有4種:應力腐蝕破壞(SCC);硫爐外精煉;二是提高成分和組織的均勻性。在降低化氫應力腐蝕破裂(SSCO);硫化氫脆(SSC); 氫致硫含量的同時(shí)進(jìn)行鈣處理，鋼水和連鑄過(guò)程的電磁開(kāi)裂(HC)1。攪拌，連鑄過(guò)程輕壓下技術(shù)的采用，多階段控制軋4.1應力腐蝕破壞 [1[15[16]1應力腐蝕破壞是除了硫化氫破壞以外的各種因制及強制加速冷卻工藝，限制帶狀組織等;三是晶素引起的應力腐蝕破壞總稱(chēng)。其特征是腐蝕在酸性、粒細化。主要通過(guò)微合金化和控壓工藝使晶粒充分細中性，甚至堿性環(huán)境下都可能發(fā)生，所以緩蝕劑不化;四是盡量降低碳含量，控制錳含量，添加銅、鉬。起作用。應力腐蝕破壞涉及3個(gè)方面的因素:敏感隨著(zhù)人們對天然氣需求的不斷增加，輸氣管道材料(合金成分、微觀(guān)組織);應力;敏感環(huán)境(介建設也得以迅速發(fā)展，管材的選擇直接影響工程質(zhì)質(zhì)成分、濃度、溫度等)。初步研究表明，溶解和滲量而日益受到重視。采用高壓輸氣可以降低管道建氫是這類(lèi)應力腐蝕裂紋擴展的主要原因。防止這類(lèi)設的成本和運行費用，因此，在輸氣管道建設中，應力腐蝕破壞的主要措施是提高外包裝質(zhì)量，隔絕應選用高鋼級管道鋼。在選用高鋼級鋼時(shí)，應關(guān)注土壤對管體的腐蝕，降低焊管的殘余應力。4.2硫化氫應力腐蝕破裂[17] [18][19]其屈強比和韌性，以保證管道安全性。針對今后擬在SSCC過(guò)程中，一方面產(chǎn)生硫化物;另-方面，建的大型輸氣管道特點(diǎn)，加大止裂研究的力度。同硫離子促使陰極反應析出的氫離子在鋼表面富集并時(shí)，對高鋼級鋼的焊接性能、材料及方法進(jìn)行研究進(jìn)入鋼組織，引起氫脆，降低鋼的塑性，并導致白與選擇，減少焊縫缺陷。根據輸送氣質(zhì)的不同，特點(diǎn)的形成，加速裂紋的萌發(fā)和發(fā)展。硫化氫應力腐別是輸送高含硫天然氣的鋼管，需要對鋼管的合金蝕破裂主要受3個(gè)方面的影響:金屬所處環(huán)境介質(zhì);成分設計進(jìn)行針對性研究，以提高耐蝕性。金屬材料本身的性質(zhì)和狀態(tài);金屬所承受的應力狀參考文獻態(tài)。[ 1] 彭在美，石油天然氣輸送用鋼管的生產(chǎn)技術(shù)及發(fā)4.3硫化 氫脆[1417展方向，焊管，2004, 33(2) : 1~2[ 2] 中國石油天然氣股份有限公司編.天然氣工業(yè)管第18卷第4期劉銀春等:天然氣輸送管道選材分析47理實(shí)用手冊，北京:石油工業(yè)出版社，2005[13]李云濤等.高強管線(xiàn)鋼的焊接性及其焊接接頭的[3]楚彥方等，高鋼級管在輸氣管道中的應用，石油耐腐蝕性、焊接技術(shù)，2004, 33 (4) : 26~28規劃設計，2005， 16 (4) : 13~16[14]王儀康.高壓輸送天然氣管線(xiàn)用鋼和焊接鋼管.[4]王茂堂等，西氣東輸管線(xiàn)用鋼管技術(shù)條件編制中焊管，1998，21 (4) : 21~27的幾個(gè)問(wèn)題及回顧，焊管，2003， 26 (2) : 1~[15]劉杏等.天然氣長(cháng)輸管線(xiàn)應力腐蝕破裂的敏感環(huán)境條件.機械工程材料，2002， 26 (1) : 5~[ 5] 王茂堂.大型輸氣管線(xiàn)選材中的幾點(diǎn)看法.焊管，2000，23 (3) : 32 ~42[16]李鶴林，天然氣輸送鋼管研究與應用中的幾個(gè)熱[ 6] 潘家華、關(guān)于管材的包申格效應.焊管，1997,點(diǎn)問(wèn)題[J] .中國機械工程，2001，12 (3) :20(1):1~-3349~ -351[7]尹國耀.包申格效應對X65鋼管強度的影響.石[17] 尹成先等，高強度管線(xiàn)鋼應力腐蝕試驗研究.焊.油規劃設計，2002， 13 (5) : 9~10管，2003, 26 (6) : 14~16[8]馮耀榮等.有關(guān)天然氣輸送管道及鋼管的幾個(gè)問(wèn).[18]張何林.天然氣輸送過(guò)程中硫化物應力腐蝕、河.壓力容器，2001 (18) : 53~59南化工，2005， 22 (7) : 10~11[9]孫志宇等譯.國外輸氣管線(xiàn)止裂韌性預測研究進(jìn)[19]王勇等、 管道硫化氫應力腐蝕破裂的原因分析.展.國外油田工程、2005, 21 (8) : 30~32油氣儲運，2004, 23 (12) : 46~47[10]黃志潛.西氣東輸管道延性斷裂的止裂控制.焊[20]陶勇寅等，管線(xiàn)鋼硫化氫應力腐蝕的影響因素.管，2001，24 (2) : 1~9天津大學(xué)學(xué)報，2004, 37 (4) : 359~362[11] 彭在美，論石油天然氣輸送用鋼管的生產(chǎn)技術(shù)及發(fā)展方向，冶金叢刊，2005，(5) ; 41~44收稿日期: 2006- 10- 23[12]劉樞楷等，L360焊接鋼管在天然氣次高壓管道的編輯:郭潔敏應用，煤氣與熱力，2003， 23 (9) : 540~542(. 上接第19頁(yè))5.5 加強HAZOP (危險和可操作性分析)研究如果為滿(mǎn)足需求，將氣田的產(chǎn)量定的過(guò)高，在很短開(kāi)發(fā)高壓、高含硫天然氣帶來(lái)的安全問(wèn)題，貫的開(kāi)采時(shí)間內，井口壓力下降就非?？?，致使氣井穿氣田開(kāi)發(fā)工程的全過(guò)程。系統地分析研究氣田建生產(chǎn)的天然氣無(wú)法進(jìn)入集輸系統，因而必須提前進(jìn)設的安全風(fēng)險和防止風(fēng)險的發(fā)生是氣田開(kāi)發(fā)的基本行增壓生產(chǎn)。有些氣田投產(chǎn)時(shí)間很短，就已出現上技術(shù)方針。述情況，面臨著(zhù)調整改造，有些氣田負荷因子已達0.95以上，超出了合理范圍，降低了安全保證。在HAZOP研究過(guò)程中，通過(guò)設計人員、第三方要依靠技術(shù)進(jìn)步，合理確定開(kāi)發(fā)方案，要科學(xué)專(zhuān)家和操作單位等的共同參與，可以系統地分析設確定氣田的儲采比，對天然氣儲量要有預留，正確計中是否有風(fēng)險，有什么風(fēng)險，什么樣的操作才能處理保障供氣與氣田穩產(chǎn)之間的關(guān)系。避免和控制風(fēng)險，從而將風(fēng)險減少到最低程度。建5.3在老氣田的調整改造中，應盡量選用國產(chǎn)設議在今后的氣田建設和調整改造中逐步進(jìn)行HAZOP備，以降低投資研究，將風(fēng)險減少到最低程度。目前，在產(chǎn)能建設中，引進(jìn)設備還占有-定比5.6開(kāi)展氣田高效設備優(yōu)化篩選工作例，引進(jìn)設備普遍價(jià)格高，維護維修需要進(jìn)口機件，定期搜集、評價(jià)國內外氣田各系統成功使用過(guò)且成本高;有的設備需整機送到國外維修，成本更的高效、節能設備，對經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗性?xún)r(jià)比高的成高。老氣田已運行多年，穩產(chǎn)能力逐漸降低，穩產(chǎn)熟節能技術(shù)，進(jìn)行大面積推廣;做到技術(shù)信息共享，年限也逐漸減短，因此老氣田的調整改造的目的主使先進(jìn)技術(shù)盡快轉變成生產(chǎn)力。要是保證其能安全運行。在調整改造中應盡量選用國產(chǎn)設備，以降低投資。收稿日期: 2006- 11-035.4改變傳統的駐站式管理模式，確保生產(chǎn)安全編輯:馬三佳川渝等氣田的地面集輸系統是經(jīng)過(guò)幾十年不斷建設、發(fā)展起來(lái)的，許多地處偏遠老氣田采用傳統的駐站式管理模式，使較多的非值班人員住房建于場(chǎng)站工區范圍內。在今后的老氣田調整改造和新氣田的建設中，應將生產(chǎn)區和生活區分開(kāi)。