石油規(guī)劃設(shè)計(jì)2007年7月天然崳輸送道材祈劉銀春*劉祎王登海常志波徐海翔西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司四川天馳建設(shè)工程有限責(zé)任公司劉銀春等.天然氣輸送管道選材分析.石油規(guī)劃設(shè)計(jì),2007,18(4):44~47摘要隨著人們對(duì)天然氣需求量的不斷增加,天然氣輸送管道建設(shè)也迅速發(fā)展,并且需要高壓力、大流量的鋼管。在夭然氣輸送鋼管選材中應(yīng)考慮其強(qiáng)度、韌性、可焊性和耐蝕性,論述了判斷管材強(qiáng)度和韌性須考慮的技術(shù)指標(biāo)以及判斷管材可焊性的兩個(gè)指標(biāo)。闡述了輸送介質(zhì)的4種腐蝕破壞形式及腐蝕機(jī)理,提岀了在天然氣輸送管道選材中應(yīng)注意的問題。關(guān)鍵詞天然氣輸送管道強(qiáng)度韌性焊接腐蝕選材分析隨著人們對(duì)夭然氣需求的不斷增加,輸氣管道節(jié)約大量鋼材,降低建設(shè)成本。目前,輸氣管道是建設(shè)也得以迅速發(fā)展。天然氣管道輸送作為一種經(jīng)通過采用大口徑和高輸氣壓力的技術(shù)措施來提高經(jīng)濟(jì)、安全、高效的輸送方式而被廣泛應(yīng)用。目前,濟(jì)效益,因此,要求管材有較高的強(qiáng)度。據(jù)計(jì)算,高壓輸送和嚴(yán)酷的環(huán)境對(duì)輸送管道提岀了嚴(yán)格的技一條輸送壓力為7.5Ma,直徑為1400m的輸氣管術(shù)性能要求。通過對(duì)天然氣輸送管的發(fā)展趨勢(shì)、管道可代替3條壓力為5.5MPa,直徑為1000m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(jié)省投資約35%,節(jié)省鋼材約19%。對(duì)同合評(píng)價(jià),對(duì)天然氣輸送用鋼管材質(zhì)強(qiáng)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。12Ma,輸氣能力將提高33%~60%,而且高等級(jí)強(qiáng)度要求鋼可以降低鋼管的壁厚,減少現(xiàn)場(chǎng)施工焊接的時(shí)間,從而降低鋼材重量和建設(shè)成本。一般來說每提高鋼管強(qiáng)度主要指屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。屈服強(qiáng)個(gè)鋼級(jí),可節(jié)約建設(shè)成本約7%度表示材料抵抗塑性變形的能力,一般情況下,屈1.2提高鋼管強(qiáng)度的技術(shù)指標(biāo)服強(qiáng)度越高,材料強(qiáng)度越高,韌性則降低。輸氣管1.2.1屈強(qiáng)比道的屈服強(qiáng)度一般為245~555Ma,計(jì)算時(shí)一般采屈強(qiáng)比即屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比值,表示材用產(chǎn)品的公稱最低屈服強(qiáng)度(SWS)。抗拉強(qiáng)度是指料塑性變形的能力,屈強(qiáng)比與材料塑性變形能力和金屬在拉斷前所承受的最大應(yīng)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(jí)鋼強(qiáng)度一般為415~625MPa管的屈強(qiáng)比不應(yīng)過大,因?yàn)榍鼜?qiáng)比越大,環(huán)向應(yīng)變1.1提高鋼管強(qiáng)度的原因允許值越小,試驗(yàn)和運(yùn)行壓力越接近鋼管的抗拉強(qiáng)天然氣輸氣管道向著高壓、大流量、長(zhǎng)距離發(fā)度,母材和焊接接頭對(duì)缺陷的容忍能力就越小。在展的趨勢(shì)越來越明顯。隨著管道輸送壓力、直徑的很多管道用鋼管的技術(shù)規(guī)范中對(duì)材料的屈強(qiáng)比進(jìn)明顯增高,提高鋼管強(qiáng)度即采用高鋼級(jí)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(chǔ)運(yùn)工程專業(yè),現(xiàn)在iEV山中國煤化工通信地址陜西省西安市未央?yún)^(qū)長(zhǎng)慶興隆園小區(qū)長(zhǎng)慶大廈908室,710021CNMHG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(guī)定,一般在0.85~0.93范圍內(nèi)。裂紋將長(zhǎng)程擴(kuò)展,造成嚴(yán)重后果;相反,如果韌性IS③B183-3規(guī)范中規(guī)定,低于Ⅺ52鋼管屈強(qiáng)比不允較大,則有可能止裂。因此,對(duì)管材韌性技術(shù)要求許超過0.90,超過X52鋼管的屈強(qiáng)比不允許超過包括兩個(gè)方面:一是確保不發(fā)生脆性斷裂;二是斷0.92,但 API Spec5L僅對(duì)冷擴(kuò)徑鋼管作做出了屈裂后在一定管長(zhǎng)內(nèi)止裂。目前,隨著冶金技術(shù)、輸強(qiáng)比不超過0.93的規(guī)定。為了保證高等級(jí)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(duì)屈強(qiáng)比做發(fā)生的是延性斷裂事故。出規(guī)定21345。2.2延性斷裂m[4t91.2.2包申格效應(yīng)( Baus chi nger Ef feet)延性斷裂的止裂是輸氣管道的突出問題。國外包申格效應(yīng)是材料的塑性力學(xué)現(xiàn)象。包申格效應(yīng)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):一是只有多晶體材料才有包申格效應(yīng),單性斷裂與CWN(夏比沖擊值)的關(guān)系。近年來,針晶體材料則沒有;二是包申格效應(yīng)的大小與材料(主對(duì)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(yàn)公式預(yù)測(cè)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(yīng)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,塑性變形量在某一數(shù)值時(shí)包申格效應(yīng)最高,塑述包申格效應(yīng)大小的稱為包申格效應(yīng)值(簡(jiǎn)稱法多、DT(落錘試驗(yàn))法、HP法和(COAc性變形量再大時(shí),包申格效應(yīng)減小,甚至消失。描修正法仼BE),指同一管材制成管后,前后屈服值的差。VBE如果使管材在一定長(zhǎng)度內(nèi)能夠止裂,要求管道般為40~50Ma,個(gè)別的能達(dá)到70Ma。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(qiáng)度達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求,鋼試驗(yàn)(測(cè)取CN值),在最低操作溫度下,C值在板的屈服強(qiáng)度應(yīng)留有足夠的余量,以彌補(bǔ)包申格效0.125MS·以上,就可以控制延性斷裂。對(duì)于焊應(yīng)對(duì)鋼管屈服強(qiáng)度的影響。一般規(guī)定,鋼板應(yīng)比鋼管高一個(gè)等級(jí),或者在該級(jí)別鋼的SMS的基礎(chǔ)上提縫一般按不起裂計(jì)算韌性。高40~50Ma2.3管材止裂應(yīng)注意的問題「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(yù)測(cè)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(duì)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(kuò)展能力的度量。天然氣輸送管道所規(guī)定管道焊縫韌性不起止裂作用,其數(shù)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(yīng)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(kuò)展。萌生后止裂(將斷裂長(zhǎng)度控制在一定范圍),同時(shí)又能滿足批量生產(chǎn)管材的經(jīng)濟(jì)性要求。一般管道工作為了保證實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的CWN和DT數(shù)據(jù)可靠溫度越低,鋼管強(qiáng)度等級(jí)越高,管徑和壁厚越大,性,要求所用設(shè)備的最大能力應(yīng)為所測(cè)數(shù)據(jù)的兩倍。對(duì)管材的韌性要求越高「3可焊性要求21112t2.1提高鋼管韌性的原因4[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(yīng)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(biāo)。作用造成的,其裂紋常在遠(yuǎn)低于管材屈服強(qiáng)度條件管材的可焊性一般用兩種判別指標(biāo)。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兩種方法,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題,后者通過提高本身性能指標(biāo)要影響因素,折合成碳當(dāng)量(Ceq)來判斷可焊性來防止鋼管斷裂。韌性斷裂是指過大拉應(yīng)力和裂紋缺陷同時(shí)存在的條件下,由細(xì)小裂紋逐漸擴(kuò)展而最9優(yōu)劣終造成的斷裂。如果管材的韌性較低,其裂紋擴(kuò)展Ceg=C+ Mn Cr+ Mo+v Ni+ Cu(1)的速度相對(duì)較快,有可能大于天然氣減壓波速度,中國煤化工般認(rèn)為CNMHGeq在0.35石油規(guī)劃設(shè)計(jì)2007年7月0.42之間,管材具有較好的焊接性能。X60以上的硫化氬溶液中產(chǎn)生氫原子,當(dāng)氬原子滲透到管管材也可用冷裂紋敏感系數(shù)(Pcm)來判斷,輸氣材里,將使鋼材晶粒間的原子結(jié)合力降低,造成鋼管道的Pcm≤0.20,Pcm的計(jì)算公式為:材的延伸率、斷面收縮率降低,隨著應(yīng)變速度和溫Mn+Cu+ Cr MoPcm=c+1510+5B(2)度的變化,鋼材強(qiáng)度也發(fā)生很大的變化,引起脆性3.2熱影響區(qū)域的硬度斷裂。目前,解決辦法是控制管道鋼板和焊接接頭熱影響區(qū)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(duì)有效,特別是有焊按應(yīng)力標(biāo)。碳當(dāng)量越高,冷卻速度越快,則熱影響區(qū)的硬存在時(shí)。度越高。從800℃到300℃的冷卻速度影響熱影響區(qū)4.4氫致開裂4t的顯微組織,冷卻速度加快會(huì)使熱影響區(qū)的硬度增氫致開裂是輸氣管道失效的主要模式之一,其大,組織變脆:從300到100冷卻速度影響焊接產(chǎn)生的原因是硫化氫溶液中產(chǎn)生的氫原子通過金屬金屬中氫的擴(kuò)散,會(huì)降低熱影響區(qū)的韌性和增大對(duì)裂紋的敏感性。一般焊縫與熱影響區(qū)金屬的宏觀硬表面深入基體內(nèi)部:氫原子在金屬內(nèi)部沿軋制方向度不得超過HRC2(洛氏硬度)或者H248(維氏硬在非金屬夾雜物和晶體缺陷等處聚集,并結(jié)合成氫度)分子,產(chǎn)生巨大的內(nèi)壓力。顯微缺陷處的氫壓可以4耐蝕性要求超過材料的斷裂強(qiáng)度,即使不存在殘余應(yīng)力也可能形成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(shè)計(jì)、大圓周半徑彎頭和三通進(jìn)行控制。外腐蝕防護(hù)主要通過外防腐涂層和陰極保和顯微組織。護(hù)。因此,沖刷腐蝕和外腐蝕對(duì)材質(zhì)的影響不大提高管道鋼抗HC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(yù)處理及復(fù)合的腐蝕破壞主要有4種:應(yīng)力腐蝕破壞(sα;硫爐外精煉:二是提高成分和組織的均勻性。在降低化氫應(yīng)力腐蝕破裂(SsCO;硫化氫脆(SS;氫致硫含量的同時(shí)進(jìn)行鈣處理,鋼水和連鑄過程的電磁開裂(HC)m14.1應(yīng)力腐蝕破壞「141516攪拌,連鑄過程輕壓下技術(shù)的采用,多階段控制軋應(yīng)力腐蝕破壞是除了硫化氫破壞以外的各種因制及強(qiáng)制加速冷卻工藝,限制帶狀組織等:三是晶素引起的應(yīng)力腐蝕破壞總稱。其特征是腐蝕在酸性、粒細(xì)化。主要通過微合金化和控壓工藝使晶粒充分細(xì)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(yīng)力腐蝕破壞涉及3個(gè)方面的因素:敏感材料(合金成分、微觀組織);應(yīng)力;敏感環(huán)境(介隨著人們對(duì)天然氣需求的不斷增加,輸氣管道質(zhì)成分、濃度、溫度等)。初步研究表明,溶解和滲建設(shè)也得以迅速發(fā)展,管材的選擇直接影響工程質(zhì)氫是這類應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的主要原因。防止這類量而日益受到重視。采用高壓輸氣可以降低管道建設(shè)的成本和運(yùn)行費(fèi)用,因此,在輸氣管道建設(shè)中,應(yīng)力腐蝕破壞的主要措施是提高外包裝質(zhì)量,隔絕應(yīng)選用高鋼級(jí)管道鋼。在選用高鋼級(jí)鋼時(shí),應(yīng)關(guān)注土壤對(duì)管體的腐蝕,降低焊管的殘余應(yīng)力4.2硫化氫應(yīng)力腐蝕破裂nrt1其屈強(qiáng)比和韌性,以保證管道安全性。針對(duì)今后擬建的大型輸氣管道特點(diǎn),加大止裂研究的力度。同在SSC過程中,一方面產(chǎn)生硫化物;另一方面,時(shí),對(duì)高鋼級(jí)鋼的焊接性能、材料及方法進(jìn)行研究硫離子促使陰極反應(yīng)析岀的氫離子在鋼表面富集并進(jìn)入鋼組織,引起氫脆,降低鋼的塑性,并導(dǎo)致白與選擇,減少焊縫缺陷。根據(jù)輸送氣質(zhì)的不同,特別是輸送高含硫天然氣的鋼管,需要對(duì)鋼管的合金點(diǎn)的形成,加速裂紋的萌發(fā)和發(fā)展。硫化氫應(yīng)力腐蝕破裂主要受3個(gè)方面的影響:金屬所處環(huán)境介質(zhì);成分設(shè)計(jì)進(jìn)行針對(duì)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(yīng)力狀參考文獻(xiàn)[1]彭在美,生產(chǎn)技術(shù)及發(fā)4.3硫化氫脆「14展方向中國煤化工[2]中國石CNMHG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理實(shí)用手冊(cè).北京:石油工業(yè)出版社,2005[13]李云濤等.高強(qiáng)管線鋼的焊接性及其焊接接頭的3]楚彥方等.高鋼級(jí)管在輸氣管道中的應(yīng)用.石油耐腐蝕性.焊接技術(shù),2004,33(4):26~28規(guī)劃設(shè)計(jì),2005,16(4):13~1614]王儀康.高壓輸送天然氣管線用鋼和焊接鋼管.[4]王茂堂等.西氣東輸管線用鋼管技術(shù)條件編制中焊管,1998,21(4):21~27的幾個(gè)問題及回顧.焊管,2003,26(2):1~[15]劉杏等.天然氣長(zhǎng)輸管線應(yīng)力腐蝕破裂的敏感環(huán)境條件.機(jī)械工程材料,2002,26(1):55]王茂堂.大型輸氣管線選材中的幾點(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(yīng)用中的幾個(gè)熱6]潘家華.關(guān)于管材旳包申格效應(yīng).焊管,1997點(diǎn)問題[].中國機(jī)械工程,2001,12(3):20(1):1~3349~3517]尹國耀.包申格效應(yīng)對(duì)×65鋼管強(qiáng)度的影響.石[17]尹成先等.高強(qiáng)度管線鋼應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)研究.焊油規(guī)劃設(shè)計(jì),2002,13(5):9~10管,2003,26(6):14~168]馮耀榮等.有關(guān)天然氣輸送管道及鋼管的幾個(gè)問18]張何林.天然氣輸送過程中硫化物應(yīng)力腐蝕.河題.壓力容器,2001(18):53~59南化工,2005,22(7):10~11[9]孫志宇等譯.國外輸氣管線止裂韌性預(yù)測(cè)研究進(jìn)19]王勇等.管道硫化氫應(yīng)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(chǔ)運(yùn),2004,23(12):46~4710]黃志潛.西氣東輸管道延性斷裂的止裂控制.焊「20]陶勇寅等.管線鋼硫化氬應(yīng)力腐蝕的影響因素管,2001,24(2):1~9天津大學(xué)學(xué)報(bào),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:2006-10-212]劉樞楷等.L360焊接鋼管在天然氣次高壓管道的應(yīng)用.煤氣與熱力,2003,23(9):540~542編輯:郭潔敏(上接第19頁)5.5加強(qiáng)Hzq(危險(xiǎn)和可操作性分析)研究如果為滿足需求,將氣田的產(chǎn)量定的過高,在很短開發(fā)高壓、高含硫天然氣帶來的安全問題,貫的開采時(shí)間內(nèi),井口壓力下降就非?？?致使氣井穿氣田開發(fā)工程的全過程。系統(tǒng)地分析研究氣田建生產(chǎn)的天然氣無法進(jìn)入集輸系統(tǒng),因而必須提前進(jìn)設(shè)的安全風(fēng)險(xiǎn)和防止風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生是氣田開發(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(xiàn)上述情況,面臨著調(diào)整改造,有些氣田負(fù)荷因子已達(dá)技術(shù)方針。0.95以上,超出了合理范圍,降低了安全保證。在HzP研究過程中,通過設(shè)計(jì)人員、第三方要依靠技術(shù)進(jìn)步,合理確定開發(fā)方案,要科學(xué)專家和操作單位等的共同參與,可以系統(tǒng)地分析設(shè)確定氣田的儲(chǔ)采比,對(duì)天然氣儲(chǔ)量要有預(yù)留,正確計(jì)中是否有風(fēng)險(xiǎn),有什么風(fēng)險(xiǎn),什么樣的操作才能處理保障供氣與氣田穩(wěn)產(chǎn)之間的關(guān)系。避免和控制風(fēng)險(xiǎn),從而將風(fēng)險(xiǎn)減少到最低程度。建5.3在老氣田的調(diào)整改造中,應(yīng)盡量選用國產(chǎn)設(shè)議在今后的氣田建設(shè)和調(diào)整改造中逐步進(jìn)行HAzP備,以降低投資研究,將風(fēng)險(xiǎn)減少到最低程度。目前,在產(chǎn)能建設(shè)中,引進(jìn)設(shè)備還占有一定比5.6開展氣田高效設(shè)備優(yōu)化篩選工作例,引進(jìn)設(shè)備普遍價(jià)格高,維護(hù)維修需要進(jìn)口機(jī)件,定期搜集、評(píng)價(jià)國內(nèi)外氣田各系統(tǒng)成功使用過且成本高;有的設(shè)備需整機(jī)送到國外維修,成本更的高效、節(jié)能設(shè)備,對(duì)經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)性價(jià)比高的成高。老氣田已運(yùn)行多年,穩(wěn)產(chǎn)能力逐漸降低,穩(wěn)產(chǎn)熟節(jié)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(diào)整改造的目的主使先進(jìn)技術(shù)盡快轉(zhuǎn)變成生產(chǎn)力。要是保證其能安全運(yùn)行。在調(diào)整改造中應(yīng)盡量選國產(chǎn)設(shè)備,以降低投資。收稿日期:2006-11-035.4改變傳統(tǒng)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(tǒng)是經(jīng)過幾十年不斷建設(shè)、發(fā)展起來的,許多地處偏遠(yuǎn)老氣田采用傳統(tǒng)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(qū)范圍內(nèi)。在今后的老氣田調(diào)整改造和新氣田的建設(shè)中,應(yīng)將生產(chǎn)區(qū)和生活區(qū)分開。中國煤化工CNMHG