天然氣工程中低溫鋼的選用

第26卷第5期天然氣與石油Vol 26. No 52008年10月Natural Gas And Oil0et.2008天然氣工程中低溫鋼的選用楊汗青',潘亞?wèn)|,吳惠芳2(1.中國石油工程設計有限公司西南分公司,四川成都610017;2中國石油工程設計有限公司,北京100085)摘要:在天然氣地面工程建設中,涉及到低溫條件用鋼的情況越來(lái)越多,如若選擇不當將會(huì )對管道及站場(chǎng)設備的安全運行帶來(lái)隱患;低溫鋼在材料成本及制造檢驗方面所需費用較高,如何恰當而經(jīng)濟地選擇低溫鋼對工程建設的成本控制有著(zhù)積極的意義。通過(guò)對國內外相關(guān)規范的介紹及詳盡對比,對工程設計中低溫壓力容器、低溫閥門(mén)、低溫鋼管的選用做了總結。關(guān)鍵詞:低溫鋼;材料;韌性;使用溫度文章編號:10065539(2008)054002204文獻標識碼:A于該臨界溫度時(shí),材料的沖擊韌性會(huì )急劇降低,這種0前言現象被稱(chēng)為金屬材料的低溫脆性轉變,這一臨界溫度稱(chēng)為材料的脆性轉變溫度。材料的脆性轉變溫度近年來(lái),隨著(zhù)我國石油天然氣事業(yè)的大步向前愈低,材料的低溫沖擊韌性愈好。冷脆現象曾在世發(fā)展,在氣田開(kāi)發(fā)、液化氣(LNG)存儲和輸送、石油界上造成多次災難性事故,因此,在工程建設中必須化工等各方面對低溫金屬材料的需求越來(lái)越多。若對此加以特別重視。對低溫工況中的金屬材料選擇不當,將有可能為工程建設后運行過(guò)程中留下安全隱患;另一方面由于2低溫材料的要求低溫金屬材料價(jià)格相對較高,如何恰當的選擇低溫材料,對控制工程建設中的投資也有著(zhù)積極意義。通常情況下,我們將存儲和輸送低溫介質(zhì)以及在寒冷地區服役的設備和管道稱(chēng)為低溫容器、低溫1低溫危害管道,而用于制造這些低溫容器、低溫管道所用的碳鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼等統稱(chēng)為低溫鋼。作為低溫鋼主要用來(lái)存儲、輸送低溫介質(zhì),與低溫同低溫鋼,除強度外,最重要的指標就是其低溫沖擊韌性,要求其脆性轉變溫度低于材料的最低使用溫度時(shí)存在的往往還有高壓。比如在一些凝析氣田的開(kāi)發(fā)中,使用J-T閥制冷后的介質(zhì)溫度低至-20在使用溫度條件下,具有足夠的沖擊韌性,有足夠的防脆性開(kāi)裂能力和抗裂紋擴展的止裂能力。-40℃,壓力高達6~8MPa;LNG的存儲溫度更是如前所述,體心立方晶格的金屬材料存在低溫低至-165℃。對于存儲和輸送這些介質(zhì)的設備和冷脆現象,而面心立方晶格的金屬材料(奧氏體鋼管道來(lái)說(shuō)除了滿(mǎn)足最基本的強度要求外,最重要的等)的沖擊韌性與溫度關(guān)系不明顯,基本不受低溫材料性能就是抗低溫脆化性能。眾所周知,對于體影響。碳鋼材料(或體心立方晶格的金屬材料)的心立方晶格的金屬材料(如碳鋼、鉬、鈮)而言在低低溫韌性,可以通過(guò)提高純凈度細化晶粒以及合金溫情況下,材料因其原子周?chē)淖杂呻娮踊顒?dòng)能力化等方法加以改善。比如控制碳鋼中碳(C)、氧(低和“粘結力”減弱會(huì )使金屬呈現脆性斷裂的傾向,對溫鋼都要求使用鎮靜鋼)、磷(P)、硫(S)等有害元于這些材料都有這樣一個(gè)臨界溫度,當環(huán)境溫度低素的含量,加入錳(Mn)、鎳(Ni)等元素顯著(zhù)提高鋼收稿日期:200807-15作者簡(jiǎn)介:楊汗青(1979),男,湖南湘陰人,工程師學(xué)士,畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲運專(zhuān)業(yè),主要從事天然氣儲運設計工作。電話(huà):(028)86014580。第26卷第5期楊汗青,等:天然氣工程中低溫鋼的選用的強度和韌性,加入鉬(M)使鋼的晶粒細化等等。以下,HG20585-1998《鋼制低溫壓力容器技術(shù)規值得一提的是,合金元素鎳(N)加入鋼中,固熔于定》中,低溫壓力容器的定義為設計溫度-20鐵素體能顯著(zhù)改善基體的韌性,因此鎳(N)是發(fā)196℃。美國ASME標準體系中,沒(méi)有對低溫壓力展低溫鋼的一個(gè)重要元素。容器作明確定義,但仍然將-29℃作為一個(gè)控制標為滿(mǎn)足低溫工況下的要求,在低溫設備和管材準。GB150-1998《鋼制壓力容器》規定:制造低溫的選型過(guò)程中,通常從化學(xué)成分、制造工藝、強度要壓力容器所用的碳素鋼和低合金鋼均“應按附錄C求(屈強比)、熱處理狀態(tài)、材料試驗要求等各方面中的規定進(jìn)行夏比(V型缺口)低溫沖擊試驗。奧提出標準作為衡量材料低溫韌性性能的通用手段。氏體鋼的使用溫度高于或等于-196℃時(shí),可免做沖通常在夏比(V型缺口)沖擊試驗中把沖擊值降到擊試驗”。某一特定允許的最低沖擊值,并把此時(shí)的最低溫度表1列出的是可用于低溫壓力容器制造的低合作為該材料的脆性轉變溫度。在施工過(guò)程中,由于金鋼牌號沖擊試驗(標準試樣)最低溫度及沖擊功鋼管的對接焊縫相對于母管較難保證其低溫沖擊韌(平均值)要求。其中,16MnDR鋼是制造-40℃級性,因此應對焊接工藝評定方法及焊縫的沖擊試驗低溫壓力容器的經(jīng)濟又成熟的鋼種,在工程建設中提出要求。被廣泛應用07 MnNiCrMovDR由于其具有良好的低溫沖擊韌性,在-40℃時(shí)的沖擊功值大于47J,被推3低溫壓力容器薦為低溫壓力容器用鋼。除低合金鋼外,奧氏體不銹鋼由于其在低溫條我國GB150-1998《鋼制壓力容器》附錄C中件下的良好韌性在工程中通常采用它作為特低溫將低溫壓力容器的概念定義為設計溫度在-20℃及壓力容器的制造材料。表1用于低溫壓力容器的合金鋼牌號及要求鋼號使用狀態(tài)夏比沖擊試驗厚度/mm最低溫度/℃A執行標準16MnR熱軋6--25正火6-120GB6654-199607 MnCrMoVR調質(zhì)GB150-199816MnDR正火6-3636~100GB3531-199607Mn NiCrMoVDR調質(zhì)GB150-199815MnNiDR9Mn2ⅤDR(已取消)正火,正火加回火6-3650≥27GB3531-199609Mn NiDR正火,正火加回火6~6070GB3531-199629℃時(shí),AP6D以及GBT19672均要求對所有碳4低溫閥門(mén)鋼和低合金鋼閥門(mén)承壓部件進(jìn)行低溫沖擊試驗。GB/T19672-2005《管線(xiàn)閥門(mén)技術(shù)條件》推薦用于在天然氣閥門(mén)制造行業(yè),經(jīng)常用于制造閥門(mén)主低溫閥門(mén)制造的合金鑄鋼主要是:LCB、LC1、LC2,體用的材料主要是:鑄造碳素鋼、合金鑄鋼、奧氏體JBT7248-94《閥門(mén)用低溫鋼鑄件技術(shù)條件》中規不銹鑄鋼。定,LCB、LC1、LC2使用溫度從-46℃到-73℃,除在GB/T1229-2005《通用閥門(mén)碳素鋼鑄件技此之外,還有用于低溫閥門(mén)制造用的LC3(35Ni術(shù)條件》中,列舉的鑄造碳素鋼有ZC205-415、鋼),其使用溫度最低為-101℃。 ASME SA-352/ZC250-485、20275-485,它們與 ASME SA-216/SA-352M中,除了國標中已采用的LCB、LC1、LC2、SA-26M中的 WCA, WCB, WCC完全等同。國內C3外,還有LCA、LCC、LC4、LC等鋼種,其最低使外在碳素鋼鑄造閥門(mén)的制造中絕大多數材料采用用溫度(LC9)達到-196(見(jiàn)表2)。在閥門(mén)實(shí)際WCB或WCC。 ASME B1634中規定WCB和WCC生產(chǎn)中,最常用的是LCB和LC的適用溫度范圍為-29~425℃。當設計溫度低于24天然氣與石油2008年表2適用于低溫條件下的鑄鋼牌號及要求合金元素的含量要求;在制造工藝方面主要是從晶力學(xué)性能夏比沖擊試驗粒純凈度、熱處理狀態(tài)等方面提出要求;力學(xué)性能則抗拉強度屈服強度試驗溫度A主要是屈強比低溫沖擊試驗要求和落錘撕裂試驗/≥MPa/≥MPa/℃/(DwTT)等方面。碳鋼415~585205在長(cháng)輸管道的建設中,最常選用的是符合GB鋼450~62024046≥0T9711系列標準的管材,它們大致與o3183系列碳錳鋼485~65527546≥18C碳鉬鋼450-620240-59≥20標準等效。在GBT971.2-199中推薦的夏比沖LC22.5%鎳鋼485~65573≥41擊試驗溫度為0℃,而通常在選用過(guò)程中,會(huì )根據實(shí)LC2-1鎳鉻鉬鋼725-89573≥20際需要,將這一試驗溫度降低至一定值比如-20℃,LG33.5%鎳鋼485~655101≥20并規定此時(shí)管體和焊縫夏比沖擊試驗的最低要求1C44.5%鎳鋼485-65275115220AP5L對PSI2級的鋼管也提出了夏比沖擊試驗要LC99%鎳鋼515-196≥27求,對于低溫情況下的夏比沖擊功(平均值)的要求CA6NM2.5%鉻鎳鉬鋼760-93050-73227為:橫向試樣≥27J,縱向試樣≥41J,并對X80及以在GB/T19672-2005管線(xiàn)閥門(mén)技術(shù)條件》中,上鋼級的沖擊試驗提出了更高的要求。工程中經(jīng)常推薦使用的奧氏體不銹鑄鋼有:CF、CF8、CF3M、采用的無(wú)縫管標準是GB/T8163-199(輸送流體CF8M、CF8C和zGcr18NT。其中,CF3、CF8、用無(wú)縫鋼管)和CB6479-200高壓化肥設備用無(wú)CF3M、CF8M、CF8C材料標準都是由 ASME SA縫鋼管)。GBT8163-1999并未對材料作沖擊韌351/SA-351M轉化而來(lái)。在制造-101以下低性試驗要求適用于輸送流體的一般用途。低溫情溫閥門(mén)中國內外均采用低溫性能優(yōu)良的CF8和況下,可以采用比GBT8163-199要求更高的GBCF8M,其使用溫度能低至-196℃。由于N鋼熱處6479-200高壓化肥設備用無(wú)縫鋼管),其對10理工藝復雜和生產(chǎn)周期長(cháng)等原因CF8和CF8M還號、20號、16Mm三種牌號鋼管的低溫沖擊性能提出常常用來(lái)代替鎳鋼作為生產(chǎn)低溫閥門(mén)用的主材。了明確要求除此之外,國家質(zhì)量監督檢驗檢疫總局于20035低溫管材年3月3日發(fā)布了由JS低溫鋼管規范轉化而來(lái)的GB/T18984-2003《低溫管道用無(wú)縫鋼管》規范,該為保證選用的管材符合在低溫條件下服役的安規范涵蓋五個(gè)牌號的鋼管適用范圍從-45℃一直全要求,我們通常從化學(xué)成分制造工藝、力學(xué)性能到-100℃(見(jiàn)表3)。更低設計溫度下的壓力管道等方面對管材提出基本要求。對化學(xué)成分的要求主采用奧氏體不銹鋼管或者引進(jìn)材料。要是控制鋼中C、P、S、O等有害元素的含量和提出表3低溫鋼管牌號及要求力學(xué)性能夏比沖擊試驗(標準試樣)牌號抗拉強度屈服強度/MPa/MPa壁厚≤16mm壁厚>6mm斷后伸長(cháng)率試驗溫度/℃An/≥32531510MnDG≥240≥210-45≥21≥300≥30≥250除上述在國內普遍遵行的做法外,符合ASTM鋼及合金鋼管,共分為8個(gè)級別除對低溫沖擊試驗A33yA33 M(ASME SA-333/SA-333M)標準的做了要求外,各級別的鋼管均要求進(jìn)行相應的熱處低溫管材在國外已廣泛適用于低溫用無(wú)縫和焊接碳理,以控制其顯微晶相組織。表4列出了A333各第26卷第5期楊汗青,等:天然氣工程中低溫鋼的選用個(gè)級別鋼管的沖擊試驗最低溫度值。往往遠遠大于單純承壓所需要的壁厚,此時(shí)可以通表4 ASTM A333標準對鋼管沖擊試驗的要求過(guò)計算管道在工作情況下是否符合低溫低應力工力學(xué)性能夏比沖擊試驗況,然后通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟比選,更加合理的選擇管材級別抗拉強度屈服強度管型標準試樣)最低試驗Ak/≥MPa/≥MPa溫度/℃刀7結束語(yǔ)05無(wú)縫或焊接45≥18Gr3450240無(wú)縫或焊接-100≥18Gr4415正確的選用低溫材料,關(guān)鍵在于正確的確定設Gr6415240無(wú)縫或焊接45≥18計最低溫度。它不僅與承壓件內的介質(zhì)溫度有關(guān),Gr7450240無(wú)縫或焊接-75≥18還受到環(huán)境溫度的影響,應該通過(guò)計算綜合考慮。Gr8690515無(wú)縫或焊接-195≥18工藝專(zhuān)業(yè)設計人員應將詳盡的有關(guān)介質(zhì)、環(huán)境溫度Gr945315無(wú)縫或焊接-7218的變化和操作情況向設備專(zhuān)業(yè)設計人員作出交代,450無(wú)縫或焊接-60便于設備設計人員按照相關(guān)規范正確選材。注:對于Gr8鋼管,對每個(gè)帶缺口的沖擊試樣應測量相對于此外,對于輸送、處理濕氣的管道而言,從工藝缺口的側問(wèn)膨脹值,且不小于0.38mm角度一般都已經(jīng)考慮了伴熱和保溫措施,環(huán)境溫度對管道選材的影響幾乎可以忽略;對于埋地管道而6低溫低應力工況言,一般都是敷設在凍土層以下,因此也不會(huì )屬于低溫環(huán)境。對于露空的干氣輸送管道而言,比如天然GB150、ASME鍋爐及壓力容器規范及德國AD氣長(cháng)輸管道靠近城市的分輸站除了考慮調壓后氣規范中,對壓力容器“低溫低應力工況”做了大致類(lèi)體介質(zhì)的溫降外,還需考慮我國北方地區冬季氣溫似的定義,并規定低溫低應力工況下的壓力容器可寒冷的影響,尤其是在停產(chǎn)檢修一段時(shí)期后恢復生以不受低溫壓力容器規范的相關(guān)要求;對于壓力管產(chǎn)時(shí),雖然介質(zhì)溫度相對較高,但管材的升溫需要道而言,工業(yè)金屬管道設計規范中對低溫低應力工個(gè)過(guò)程,露空或者只有保溫措施的管道在啟動(dòng)初期況作出了與壓力容器類(lèi)似的定義:低溫低應力工況的低溫安全也需要綜合考慮。為設計溫度低于或等于-20℃的受壓管道組成件,參考文獻其環(huán)向應力小于或等于鋼材屈服點(diǎn)的1/6,且不大[1]cB1so-198,鋼制壓力容器s于50MPa的工況。除抗拉強度下限值大于540MPa(2]AsME鍋爐及壓力容器規范國際性規范Ⅷ第一冊,壓的鋼材及螺栓材料外,使用的材料在低溫低應力工力容器建造規則[S]況下若設計溫度增加50℃后高于-20℃時(shí),管道3]ASME鍋爐及壓力容器規范國際性規范Ⅱ材料A篇材料可免于做低溫沖擊試驗。在 ASME B313中,鐵基材料[S]也有對于類(lèi)似低溫低應力工況下管材可以免除沖擊4]cB3-19,低溫壓力容器用低合金鋼鋼板[S][5]JBT7149-1995,低溫閥門(mén)技術(shù)條件[S]試驗的條款。因此,對于低壓管道來(lái)說(shuō):例如放空管[61CB50316-200,業(yè)金屬管道設計規范[S]線(xiàn)其設計壓力雖然不高,但由于放空時(shí)的節流效(7]ASME壓力管道規范B33,.工藝管道[s]應,放空氣體的溫度往往從正常操作溫度突降至低(8]ASME壓力管道規范B1.8,輸氣和配氣管道系統溫,在選擇壁厚時(shí)由于壁厚系列的原因,選擇的壁厚