1 前言
隨著“西氣東輸”一線、二線的建成輸氣，國(guó)內(nèi)掀起了城市天然氣建設(shè)的高潮，今后幾年城市天然氣管網(wǎng)的建設(shè)將遍及全國(guó)，其建設(shè)質(zhì)量的高低和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)。國(guó)家和各地區(qū)為保證城市天然氣的建設(shè)和使用安全，出臺(tái)了大量的法律、法規(guī)及相關(guān)的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。這些法規(guī)、規(guī)范對(duì)城市天然氣的建設(shè)和使用做了細(xì)致的強(qiáng)制性規(guī)定，使設(shè)計(jì)單位在很多方面有法可依。但由于城市天然氣管線在中國(guó)發(fā)展的時(shí)間較短，城市天然氣輸送方面的標(biāo)準(zhǔn)還不夠全面。設(shè)計(jì)院在設(shè)計(jì)城市天然氣輸送管線時(shí)，不得不使用部份推薦性標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)鋼管的技術(shù)要求一般以API-5L和GB／T9711為依據(jù)，參考一些比較著名的長(zhǎng)輸管線的“技術(shù)規(guī)格書”，然后根據(jù)設(shè)計(jì)者自己的經(jīng)驗(yàn)和理解進(jìn)行鋼管選型和編制鋼管采購(gòu)技術(shù)條件。各城市天然氣輸送管線的建設(shè)和設(shè)計(jì)部門相互獨(dú)立，各建設(shè)部門
的建設(shè)和設(shè)計(jì)理念互不相同，有的建設(shè)和設(shè)計(jì)單位以安全性為主，而有的則以經(jīng)濟(jì)性為主。由于API-5L和 GB／T971 1只是規(guī)范了各種鋼管的制造，檢驗(yàn)和交貨標(biāo)準(zhǔn)，并沒有明確指出應(yīng)在什么情況下使用什么鋼管，有的建設(shè)單位不清楚各種管型之間的質(zhì)量差別，僅從節(jié)約投資出發(fā)，以鋼管價(jià)格為唯一指標(biāo)，而有的城市則是以鋼管的安全性為主。因此出現(xiàn)了在同一類地區(qū)，基本類似的使用條件下，鋼管的選型各不相同，有的城市使用無(wú)縫管，有的城市使用ERW高頻焊管，有的使用螺旋埋弧焊管，有的使用直縫埋弧焊管。在對(duì)安全性和可靠性要求最為嚴(yán)格的“城市天然氣管線”的鋼管選型方面出現(xiàn)了一種比較混亂的局面，這個(gè)問題不解決很有可能會(huì)對(duì)廣大的城市市民的人身和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成直接的威協(xié)。
這些情況也使一些設(shè)計(jì)人員感到無(wú)所適從，或者設(shè)計(jì)人員的意見遭到建設(shè)單位的否決。本文擬從制管工藝對(duì)鋼管性能影響的角度出發(fā)，探討“城市天然氣”鋼管選型的問題，希望能給“城市天然氣”管道的設(shè)計(jì)人員和建設(shè)單位提供一點(diǎn)參考性建議。
2 不同的制管工藝對(duì)鋼管性能的影響
2．1天然氣輸送用的主要管型
目前城市天然氣輸送用管主要分為中、小直徑和大直徑鋼管，中、小直徑鋼管一般用于城市中心地區(qū)的輸氣。管型主要是無(wú)縫管和ERW高頻焊管，大直徑鋼管一般用于城市周邊地區(qū)的輸氣主干線，主要管型為螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管，本文主要討論上述4種目前在城市天然氣輸送時(shí)實(shí)際使用的鋼管的制造工藝及性能。
2.2中、小直徑鋼管
2．2．1無(wú)縫鋼管
無(wú)縫鋼管是在管坯上通過穿孔、拉拔工藝制造的鋼管，在管坯制成鋼管的過程中，壓縮比很小，其性能主要靠化學(xué)成分和熱處理獲得。
無(wú)縫管工藝復(fù)雜，價(jià)格相對(duì)較高。
無(wú)縫管的壁厚偏差較大，為遷就這一缺點(diǎn)，相關(guān)制管標(biāo)準(zhǔn)都允許無(wú)縫管有較大的壁厚公差。
由于無(wú)縫管沒有焊縫，除壁厚偏差引起的強(qiáng)度偏差外，管體各部位相對(duì)焊管來(lái)說性能的一致性較好，不存在危險(xiǎn)部分。
另外無(wú)縫管廠相對(duì)來(lái)說規(guī)模較大，質(zhì)量容易得到控制。無(wú)縫管的質(zhì)量雖不是十分令人滿意，但比較可靠。
2．2．2 ERW焊管
ERW高頻焊管用熱軋卷板為原料經(jīng)過連續(xù)多次輥軋成型，利用高頻電流將板邊熔融，并通過施加一定的擠壓力煅焊制成的，焊縫金屬與母材相同。
管線鋼熱軋卷板是用鋼坯經(jīng)多次控制軋制加上快速冷卻制成的。有至少10倍的壓縮比�？焖倮鋮s實(shí)際上是對(duì)鋼板進(jìn)行了在線熱處理。因此鋼板的組織致密。晶粒細(xì)化。在高強(qiáng)度的同時(shí)，又具有高的韌性及良好的延伸率。
焊接后焊縫經(jīng)過中頻熱處理，消除了焊接應(yīng)力和焊縫區(qū)的馬氏體組織，使焊縫的綜合機(jī)械性能得到了極大改善，材質(zhì)低于X65時(shí)，焊縫的強(qiáng)度一般都高于母材強(qiáng)度，焊縫的韌性也完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求并有相當(dāng)?shù)母辉！?/DIV>
鋼管通過定徑，大大減小了鋼管成型和焊接應(yīng)力，同時(shí)大幅度提高了鋼管的尺寸精度。
ERW焊管的圓度可輕松地控制在lmm以內(nèi)，壁厚公差可控制在0.2ram～0.3ram，尺寸精度十分優(yōu)秀。
ERW高頻焊管如果質(zhì)量能得到有效地控制，其性能明顯優(yōu)于無(wú)縫管，但ERW焊如果存在假焊，冷焊，或熱處理不到位，則焊縫質(zhì)量將得不到保證，而這些缺陷僅靠對(duì)成品的無(wú)損檢測(cè)和外觀檢驗(yàn)一般難以發(fā)現(xiàn)，鋼管質(zhì)量只有靠工廠進(jìn)行保證。這些因素又恰恰是ERW高頻焊管失效的主要原因。
ERW高頻焊管具有高品質(zhì)和高風(fēng)險(xiǎn)的雙重性，目前其在DN500以下口徑生產(chǎn)工藝較為成熟，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，但在DN500及以上使用仍有一定的風(fēng)險(xiǎn)。
2．3大直徑焊管
2．3．1螺旋埋弧焊管
螺旋埋弧焊管(以下簡(jiǎn)稱螺旋焊管)，是用三輥將鋼帶按螺旋線方向進(jìn)行卷曲，在卷曲的同時(shí)用填充金屬進(jìn)行內(nèi)焊和外焊。由于這種工藝是在成形的同時(shí)進(jìn)行焊接，屬于動(dòng)態(tài)焊接狀態(tài)，在熔敷金屬凝固前焊點(diǎn)位置就離開了擠壓輥，鋼管在成型應(yīng)力的作用下對(duì)焊縫產(chǎn)生了拉應(yīng)力。而這種拉應(yīng)力是產(chǎn)生焊接熱裂紋的充分條件，在焊接高材質(zhì)鋼管時(shí)，鋼管母材本身就具備了產(chǎn)生熱裂紋的必要條件，這兩個(gè)條件加在一起，就形成了產(chǎn)生熱裂紋的充要條件，這時(shí)就極易產(chǎn)生熱裂紋。生產(chǎn)線焊縫檢驗(yàn)是采用當(dāng)量缺陷報(bào)警的方法進(jìn)行判斷的。如果缺陷的當(dāng)量大于標(biāo)定值時(shí)，工廠可以檢出，但如果缺陷當(dāng)量小于標(biāo)定值時(shí)，則作為合格品出廠了。這些微裂紋在今后的使用中。很有可能會(huì)擴(kuò)大成為危害管道安全的大裂紋，甚至使鋼管完全失效。
國(guó)外一些先進(jìn)的螺旋焊管工廠，為了解決這一問題，采用了予精焊工藝，這樣就避免了焊縫在焊接時(shí)的拉應(yīng)力作用。
螺旋焊管無(wú)法進(jìn)行擴(kuò)徑，因此成品鋼管存在著較大的拉應(yīng)力，這種拉應(yīng)力成為管線應(yīng)力腐蝕的力學(xué)條件。
螺旋焊管在弧面焊接，熔敷金屬會(huì)產(chǎn)生流淌，焊縫形狀為內(nèi)馬鞍、外脊背的形狀，焊縫和母材之間存在較大的局部應(yīng)力，這又進(jìn)一步加強(qiáng)了應(yīng)力腐蝕的力學(xué)條件。
另外螺旋焊管的尺寸精度較差，為解決這問題，有的工廠對(duì)螺旋焊管進(jìn)行管端擴(kuò)徑，這樣雖然解決了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接的問題，但管體尺寸仍未得到改善。
除此之外，螺旋焊管還存在焊縫長(zhǎng)，容易偏焊，無(wú)損檢測(cè)跟蹤難度大等不利因素。
2．3．2直縫埋弧焊管
直縫埋弧焊管(以下簡(jiǎn)稱直縫焊管)是用成型機(jī)將平扳卷(壓)成圓型，通過予焊或機(jī)械夾持方法將焊接位置固定。然后在水平位置進(jìn)行內(nèi)、外多絲焊接。熔敷金屬在靜態(tài)凝固，因此消除了產(chǎn)生熱裂紋的充分條件，焊縫質(zhì)量穩(wěn)定可靠，焊后鋼管進(jìn)行整體擴(kuò)徑，使成型應(yīng)力得到了釋放，焊接時(shí)熔池處于水平位置，多絲焊時(shí)各焊絲各司其職，焊縫可以和母材平滑過渡，局部應(yīng)力小的多，為減慢應(yīng)力腐蝕創(chuàng)造了有利條件。
直縫焊管有各種不同的成型方式(女HUOE、JCOE等)和擴(kuò)徑方式(如水壓、機(jī)械)，不同的方式也會(huì)對(duì)焊管的使用性能產(chǎn)生一定的影響，管理水平不同，焊管質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生巨大的差異，但是總體來(lái)說，直縫焊管的質(zhì)量可靠性和尺寸精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于螺旋焊管。
2．3．3性能比較
螺旋焊管和直縫焊管在承壓能力方面并無(wú)大的差別，主要是在安全性和可靠性方面存在較大的差異，同時(shí)在應(yīng)力腐蝕方面也存在有一定的差別，直縫管明顯要優(yōu)于螺旋管。螺旋焊管由于設(shè)備投資較小，卷板價(jià)格比平板價(jià)格便宜許多，尤其是螺旋焊管可用較窄鋼卷生產(chǎn)較大直徑的焊管，因此螺旋焊管的價(jià)格明顯低于直縫焊管。
3 城市天然氣管線的安全屬性及對(duì)鋼管選型的要求
(1)城市天然氣輸送管線與長(zhǎng)輸管線的同一性和特殊性
由于歷史和經(jīng)濟(jì)上的原因，原石油部主管長(zhǎng)輸管線和油田集輸管線的設(shè)計(jì)及施工。經(jīng)過多年的實(shí)踐，原石油部的管道局，管材研究所和管道學(xué)院等一些大專院校對(duì)長(zhǎng)輸管線的使用安全性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，積累了比較完善的經(jīng)驗(yàn)。因此比較兩種管線的異同，對(duì)充分利用已有的研究成果，更好地進(jìn)行“城市天然氣”管線的建設(shè)有十分重要的意義。
(2)無(wú)論長(zhǎng)輸管線、集輸管線還是“城市天然
氣”管線都屬于“天然氣輸送”管線，因此城市天然氣輸送管線的設(shè)計(jì)選型不應(yīng)該自成體系，而應(yīng)該遵循
“天然氣輸送”管線的一般規(guī)則。
(3)城市天然氣管線和長(zhǎng)輸管線的差別主要是
“城市天然氣”管線比長(zhǎng)輸管線應(yīng)該具有更高的安全性和可靠性。
(4)長(zhǎng)輸管線輸送路線長(zhǎng)，為減少壓力損失，提高輸送流量，往往采取盡可能高的輸送壓力，由于管道距離長(zhǎng)，鋼管的成本占管線建設(shè)成本的比例較大，因此長(zhǎng)輸管線建設(shè)節(jié)省成本的一個(gè)重要措施是盡量降低鋼管采購(gòu)成本，在能使用螺旋管的場(chǎng)合盡量使用螺旋管。但由于螺旋管和直縫管在安全性和可靠性方面存在的明顯差異。因此一般國(guó)內(nèi)的長(zhǎng)輸管線規(guī)定僅在I類、Ⅱ類地區(qū)可以使用螺旋管，在III類、Ⅳ類地區(qū)必須使用直縫管。一些重要的工程，例如： “西氣東輸”工程，其二類地區(qū)也使用直縫管。
(5)“城市天然氣”管線全部都處在III類、Ⅳ類地區(qū)，隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的快速進(jìn)展，今天的III類地區(qū)很快就會(huì)變成Ⅳ類地區(qū)，因此城市天然氣管線都應(yīng)該按Ⅳ類地區(qū)考慮。
目前Ⅳ類地區(qū)是分類的******別，實(shí)際上很多城市的人口密度早已大大超過了Ⅳ類地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)。城市天然氣管道能否安全進(jìn)行，直接關(guān)系到千家萬(wàn)戶數(shù)以億計(jì)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。
城市天然氣管線的特殊性還在于其往往在馬路旁邊安裝，汽車等重物長(zhǎng)期碾壓和震動(dòng)會(huì)造成地面的不均勻沉降，這就要求鋼管具有很好的縱向塑性和韌性。另外城市管道經(jīng)過區(qū)域情況復(fù)雜，管道有時(shí)要通過遂道或在建筑物下面埋設(shè)，一旦有微小泄漏無(wú)法立即散發(fā)，當(dāng)聚集到一定濃度后遇到明火，就會(huì)發(fā)生爆炸，這種案例屢有發(fā)生。
(6)“城市天然氣”管線的路徑不長(zhǎng)，鋼管采購(gòu)費(fèi)用相對(duì)建設(shè)管道時(shí)的拆遷費(fèi)用，影響交通造成的損失，和對(duì)人民的生活產(chǎn)生的困擾來(lái)說只占很小的比例，因此更沒有必要過分計(jì)較鋼管采購(gòu)的少許費(fèi)用差異而犧牲管道的整體安全性能。
4 城市天然氣管線的鋼級(jí)選擇要求
根據(jù)API 5L國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)完整的鋼級(jí)表述應(yīng)包含兩個(gè)內(nèi)容：一個(gè)是強(qiáng)度等級(jí)，指鋼管應(yīng)滿足的最低屈服強(qiáng)度；一個(gè)是交貨狀態(tài)，主要有3種交貨狀態(tài)，即M(熱機(jī)械軋制)、N(正火)或Q(調(diào)質(zhì))。M表示原料鋼板應(yīng)采用控軋或TMCP軋制工藝。TMCP~藝是從上世紀(jì)60年代開始發(fā)展起來(lái)的新工藝，可以在低碳和不增加合金含量的情況下，使鋼材的強(qiáng)度、韌性獲得提高，大大改善鋼材的可焊性，并提高鋼材的性價(jià)比，因此現(xiàn)代天然氣管線幾乎全部采用TMCP工藝，如中國(guó)西氣東輸一線的X70和二線的X80全部采用M狀態(tài)交貨。N表示正火狀態(tài)，在60年代以前的管線使用較多，鋼級(jí)****只能到X60。Q表示調(diào)質(zhì)狀態(tài)，在高鋼級(jí)無(wú)縫鋼管工藝中應(yīng)用較多，對(duì)于厚壁抗酸鋼管也大多采用調(diào)質(zhì)工藝。
管線設(shè)計(jì)除充分考慮其安全性外，還要考慮其經(jīng)濟(jì)性。由于管線在單位時(shí)間的輸送量與輸送壓力梯度和管道直徑的平方根成正比，因此提高管道輸送壓力和增加管徑是現(xiàn)代管道建設(shè)的發(fā)展方向，有資料認(rèn)為，對(duì)于干線管道的管徑********直徑為1 422mm。但如果選用一般強(qiáng)度等級(jí)的鋼材，鋼管要設(shè)計(jì)得相當(dāng)厚，其經(jīng)濟(jì)性則不能體現(xiàn)，所以干線鋼管的鋼級(jí)往往比較高，比如西氣東輸一線采用X70，西氣東輸二線采用X80，正在規(guī)劃的西氣東輸三線據(jù)說要采用X90或x100，這其中許多技術(shù)問題需要解決，比如焊接性問題。
對(duì)于不同強(qiáng)度等級(jí)的管線鋼，其組織結(jié)構(gòu)是有區(qū)別的。X60及以下鋼級(jí)一般組織為鐵素體+少珠光體組織，晶粒尺寸15～20；X65、X70一般為針狀鐵素體，晶粒尺寸5一10；X80、X100、x120一般為低碳貝氏體組織，晶粒尺寸1～5。隨著管線鋼強(qiáng)度等級(jí)的升高，其可焊性變差，為解決可焊性問題，基本上都采用低碳或超低碳的合金設(shè)計(jì)。
對(duì)于城市天然氣管線而言，設(shè)計(jì)壓力相對(duì)不高，安全問題應(yīng)是最主要的問題。適用于城市天然氣管網(wǎng)的鋼級(jí)主要應(yīng)是X52、X56、X60、X65，對(duì)城市管線的支干線可適當(dāng)考慮到X70，這些鋼級(jí)可焊性較好，施丁方便，運(yùn)用成熟，對(duì)于-X80及以上鋼級(jí)則沒必要考慮。
5 總結(jié)
（1）不同類別的鋼管其安全性和可靠性存在明顯的差異，管道的安全性和安全系數(shù)有一定的關(guān)系，同一條鋼管安全系數(shù)越高，相對(duì)來(lái)說越安全，在同一安全系數(shù)的條件下，質(zhì)量穩(wěn)定，性能好的鋼管具有更高的安全性能�！俺鞘刑烊粴狻陛斔凸芫�應(yīng)始終將安全性作為第一要素考慮，尤其是管道建設(shè)單位，切不可為了省很少的一點(diǎn)鋼管采購(gòu)費(fèi)用而犧牲管道的安全性能。
(2)城市天然氣管線DN500以下鋼管可采用 ERW鋼管，小口徑鋼管也可采用無(wú)縫鋼管，DN500及以上鋼管建議采用直縫雙面埋弧焊鋼管。支干線用管鋼級(jí)選用建議在X70及以下，其他管網(wǎng)用管建議在 X65及以下。
(3)城市天然氣管道選型原則應(yīng)按壓力與地區(qū)類別作為選型依據(jù)，在條件許可的情況下，可適當(dāng)提高一些設(shè)計(jì)壓力標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)的安全運(yùn)行與升壓運(yùn)行留有一定空間�？紤]目前國(guó)內(nèi)城市化進(jìn)程速度很快，地區(qū)類別確定應(yīng)按照就高不就低原則，最好按Ⅳ類地區(qū)考慮。
(4)在城市天然氣輸送管線中選型中，應(yīng)參考長(zhǎng)輸管線的研究成果，這雖然不是強(qiáng)制性規(guī)定，但都是世界各國(guó)管道行業(yè)專家，匯集了各國(guó)管道失效的案例，通過對(duì)失效概率的統(tǒng)計(jì)，建立失效與風(fēng)險(xiǎn)控制模型，總結(jié)出來(lái)的寶貴經(jīng)驗(yàn)。充分利用這些寶貴的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)保證“城市天然氣”輸送的安全性有著積極的指導(dǎo)作用。
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