输气管道工程中钢管的选用

石油天然气学报 ( 江汉石油学院学报) 2 0 1 0 年 1 0 月第 3 2 卷第5 期 J o u r n a l o f O i l a n d Ga s T e c h n o l o g y( J J P I ) O c t 2 0 1 0 V o 1 3 2 N o 5 输气管道工程中钢管的选用 陈 力 ，高建 国 ， 卜国明 ( 中国 石油天然气管道局国 际事业部， 河北廊坊0 6 5 0 0 0 ) 摘要根据我 国天然气长输管道发展需求与规划，结合我国 的钢 管制管技术现 状及未来 的发展趋势 ，同 时参考 国际上其他 国家在天 然气长 输 管道方 面 的钢管选 用经 验 ，对 螺旋埋 弧 焊 管、E R W 直缝 管、U OE 直缝 管等不同制造 工艺及 类型的钢 管进行 了优缺 点分析 ，并提 出了符合我 国国情 的天然 气长输管道 的钢 管选用原 则，即：在管道经 过 的一、二类地 区可 以采用 螺旋埋 弧焊 管作 为天 然气 的输送 钢 管，但 在 三、 四类地 区及穿 、跨越地 区则建议采用直缝 焊管 ，这种 做法 比较稳妥 也是符合 我 国 目前 的经 济发展水 平和 承 受能力 的。 关键词 天然气；管道 工程 ；长输管道 ；城市燃气 钢管 中图分类号T E 4 2 文献标 识码A 文章编号1 0 0 0 9 7 5 2( 2 0 1 0 )0 5 0 5 5 2 0 5 1 概 述 能源工业是国民经济和社会发展 的基础产业，随着我 国国民经济的不断发展、人民生活水平的 日益 提高 ，对高效、洁净的能源需求尤其是对天然气的需求越来越迫切 。 天然气较之煤炭 、石油而言，是一种高效 、洁净的工业与民用能源 ，其环保优势是其他常规能源无 可比拟的 ，天然气所造成的污染仅为石油的 1 1 0 ，煤炭的 1 8 o o 。尤其是全球都在大力提倡低碳节能、 减少环境污染的大背景下 ，天然气将会进一步得到更普遍的应用。早在 2 0世纪 8 O年代初期 ，世界上不 少 国家就非 常重视 天 然气工 业 的发展 ，并 给予 了极 大地 投 入 。进 入 9 O年代 之后 ，世 界 天 然气 探 明储 量 和产量的增长速度达到了 8 。在世界能源结构 中，天然气的生产和消费是增长最快的， 目前已占到能 源的百 分 比超过 了 2 4 。进 入 新 的 世 纪后 ，天 然气 的生 产 和 消 费 几 乎 占到 能 源 的 3 7 。虽 然 经 过 了 2 0 0 8和 2 0 0 9两年 的全球 金融危 机 ，但 全 球 天然 气 的使 用 量并 没 有 减少 ，预计 到 2 0 2 0年 ，全球 天然 气 的生产 和消 费将 占到 能源消 费 的 4 5 5 O 。 我国天然气的开发和利用工作起步较晚，但随着陕甘宁一北京输气管线一期和二期、涩宁兰输气管 线 、西气东输一线工程 、忠武天然气管线、川气东送管道和中亚天然气管道的陆续建成与投产 ，加上陕 甘宁一 北京输气管道三期工程、西气东输二期工程建设步伐的加快 ，以及我国从 中亚诸国购买天然气的 计 划逐步 落实 和 2 0 1 5年从 俄 罗斯西 伯利 亚 引进天然 气 的谈 判 加速 ，都 预 示 着我 国将 在今 后 相 当长 的 时 间内大力 发展 天然 气工业 。这不仅 为天 然气 管道建 设 提供 了广 阔的发展 空 间 ，同时也 为我 国钢管 制造 厂 家提供了前所未有的机遇和挑战。 2 我国制管技术的发展与需求 众所周知 ，一般天然气的产地与天然气的需求市场都相距非常遥远 ，而将洁净能源天然气从资 源产地运送到市场终端，最好的方法就是 ：海运利用大容量的 L NG船远洋运输 ，陆运通过长输管道实 现远距离输送。实践证明 ，长输管道输送天然气不仅安全 、可靠、不受气候影响 ，而且成本低廉、输送 收稿日期2 0 1 0 一o 72 o 作者简介陈力 ( 1 9 6 2 一 ) ，男 ，1 9 8 5 年江 汉石油学院毕业 ，硕士 ，高级工程 师，现 任管道局 国际事业 部副总经理 ，主要从事 国际 工程的项 目管理和技术管理工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷第 5 期 陈力等 ：输气管道工程中钢管的选用 效率 高 。因此管 道输送 天 然气成 为天 然气输 送 的最 主要 方式之 一 。 对于 输送 干线 、城市 外 围的高压 管 网和城 市 内部 的配 气干 线 网 ，天 然气输 送 管道一 般都 采用 钢管 来 实现，而城市内部的低压管网则多采用铸铁管和 P E ( 或 P VC )塑料管。我国输送天然气 的钢管通常有 以下几种 ：螺旋埋弧焊管、高频电阻焊管 ( 如 E R W 直缝管) 、直缝埋弧焊管( 如 UO E直缝管)以及无 缝钢管。由于用无缝钢管输送天然气的情况并不普遍( 仅在 四川地区存在个别现象) ，因此对此情况不 予讨论 。 在 我 国的 2 O世纪 5 0 6 0年代 ，螺 旋 埋 弧焊 管 在油 、气 输 送 管 道 中几 乎 占据 了统 治 地位 ，到 7 0 8 O年代末期 ，其地位受到了 E RW 直缝管和 UOE直缝管的严重挑战。实际上，至今世界上许多国家的 长输管道建设都是根据实际情况来综合考虑钢管的选择 ，已不再将螺旋埋弧焊管作为油 、气输送的唯一 候选钢管了。此外 ，据统计 ，目前世界上螺旋埋弧焊管也开始普遍 用于打钢管桩和低压输水管道之中 了 。 近年来 ，管道工业的发展对钢管的可靠性要求越来越高。这一点主要通过 以下几个方面得到体现 ： 在长输管道设计中，适当提高管道的输送压力 ，在系统优化设计中往往是 比较经济的设计方案。因此 近年来管道出现向高输送压力发展的趋势 。如，2 O世纪 5 O年代管道的输送压力一般不 高于 4 5 MP a ， 6 0年代通常在 5 5 MP a左右 ，而 7 0年代则达到了 6 5 MP a ，在 8 O 9 0年代期间的管道输送压力为 7 5 8 0 MP a ，从 9 O年代末期至今 ，管道 的输送压力普遍达到并 超过 了 1 0 MP a ，甚至有部分地段的管道 输送压力达到了 1 3 1 4 MP a 。从资源生产 的边远地 区到天然气的消费中心 ，管道往往长达几百公里 甚至数千公里 ，沿线的地质情况 、气候条件和社会依托往往十分恶劣或非常苛刻，这就对钢管提出了更 高的可靠性要求 。随着管道向高压和大 口径方向发展 ，一般来说 ，采用高强度等级的钢管对工程投资 方而言将会获得更好的综合效益。因此近年来 出现了管道采用高强度钢材等级的趋势。如 ，2 O世纪 4 O -5 0年代钢管所用的钢材等级一般为 X 4 2或 X4 6 ，5 0年代末至 6 0年代通常采用 X 5 2 、X5 6等级 的钢 材 ，而 6 0年代末至 7 0年代则达到了 X6 0 、X6 5 ，8 0年代以来有些管道则选用了 X7 0 、甚至 X 7 5等级的 钢材来制造 ；进入新的世纪后 ，X 8 0等级的钢管也开始普遍使用 ，如西气东输二线工程就开始大量采用 X 8 0等级 的钢 管 。同时 ，X1 0 0等级 的钢管研 制 工作 已经 展 开 。 由于长 输 管 道在 所 经过 的地 区 可 能需 要通过严寒地区，甚至是终年冻土或积雪地 区，如俄罗斯的远东地区和中国的黑龙江省北部地 区，因而 对管道的材质往往提出较低的冷脆转变温度 F AT T的要求 。 当输送 的天然气含有 H s及 C Oz 时 ，还 要对管材提出抗氢致裂纹、抗应力腐蚀和耐化学腐蚀等一系列的要求 。 可以看出，由于生产力的发展 ，客观上对管材和制管工艺提出了更高、更严格和多方面的要求 ，这 也促 进 了管道输 送技 术 日益完 善和 飞速发 展 。 3 几种常见输送钢管的 比较 天然气的输送通常利用螺旋埋弧焊管、E R W 直缝管、UOE直缝管等类型的钢管来实现 。这些类型 的钢管各有特点 ，下面按其发展的顺序分别进行叙述 。 3 1螺旋 埋弧焊 管 螺旋埋弧焊管曾是我国管道工业 的主力军 ，在我国的管道工业发展中立下了不可磨灭的功绩。螺旋 埋弧焊管 的主要优点有 ： 由于其焊缝呈螺旋状分布，使钢管最大驱动开裂方向与最小断裂阻力的方 向 不一致 ，从而降低了管道沿焊缝方向开裂 的风险。一般而言 ，钢管焊缝 区 ( 包括焊缝金属及热影响 区)的机械性能较母材差 ，其缺陷存在的概率也较母材高，故焊缝影响区为钢管的薄弱环节。但由于螺 旋埋 弧焊管 的焊 缝 为螺旋 状 ，而最 大驱 动开 裂方 向是 轴 向 的 ，故其 强度 薄 弱环节 避 开 了最 大驱 动开 裂方 向。无论是热轧卷板还是钢板都存在着强度的各向异性 。钢板或热轧卷板沿垂直轧制方 向的强度 ( 抗 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然 气学报 ( 江汉石油学院学报) 2 O 1 O年 1 0 月 拉强度和屈服强度)较小，沿轧制方向的强度较大 ，而对螺旋埋弧焊管而言 ，其垂直焊缝方向恰巧是强 度的薄弱方向，从而避开了钢管的主应力方向。螺旋埋弧焊管制造工艺相对简单 ，也 比较成熟 ，价格 便宜。在我国长输管道的建设史上，使用螺旋埋弧焊管至今 已有 4 O多年的历史 ，因此 ，对螺旋埋弧 焊 管在工 程 中的使用 有着 丰 富 的经 验和 教训 。 可 以看 出 ，螺旋 埋 弧焊管 的最 大优 点就是 它 的焊缝呈 螺旋状 分 布 ；然 而 ，不 可否认 的是这也正 是它 自身无法避免的最大缺点 ：螺旋埋弧焊管在成型及焊接过程中，形成了较大的残余应力 ，其残余应力 实 际上 为拉应 力 ，而钢 管受 内压后 ，管 壁也 同时产 生环 向的拉应 力 ，二者 叠加 ，使得 钢管 的承压 能力 明 显 减弱 。 螺旋埋 弧焊 管 的焊 缝形状 欠 佳 ，尖 角突 出 ，因此应力 集 中难 以避免 。螺旋 埋 弧焊管 的热影 响区比较大，且硬度高 。螺旋埋弧焊管的焊缝长。由于钢管的缺陷主要发生在焊缝上 ，焊缝长就意味 着可靠性降低 。 由于其焊缝形状不好 ，焊缝常常超高 ，给钢管 内外的涂敷工艺带来了困难 ，也常常造 成 在涂敷 过程 中焊缝 两 边产生 气穴 或漏 点 。 螺旋埋 弧焊 管在制 管过 程 中无 涨管 工序 ，故其 几何尺 寸 的 精度 要 比直缝 焊管 ，尤其 是 UOE直缝管 差 。 由于制管及 成 型工艺 的限制 ，螺 旋埋 弧 焊管 所 能达 到 的 管 道壁厚 要 小于 UOE直 缝管 。 此外 ，螺旋埋弧焊管的另一个 主要问题是著名 的包辛格效应 。1 8 8 6年德国人 J B a u s c h i n g e r 发现 材 料 的一 个重 要塑性 力 学现象 ：材料 在 一个方 向受力 ，并 超过屈 服极 限进入 塑性 区 ，然 后再 卸载 ，第二 次再加载时，则此材料在该方 向的屈服值上升 ，而在相反方 向的屈服值下降。以拉应力为例 ，如使一根 钢 材受拉 ，超 过抗 拉屈 服极 限并进 入塑 性 区然 后卸 载 ，则该 根钢 材 的抗 拉屈 服极 限上 升而抗 压屈服 极 限 下降，后来该类现象就被称之为包辛格效应 ( B a u s c i n g e r E f f e c t ) 。 钢板或钢卷在制管过程中，外层受拉并进入塑性区，而内层则受压亦进入塑性区，实践表明，制成 管后总体的包辛格效应表现为钢管的抗拉屈服极限下降，其下降值 的大小与钢管几何形状、钢材等级以 及轧制工艺等诸多因素有关 ，难以准确估计，更无法进行计算。因此 ，管材包括钢卷或钢板的屈服极限 必须略大于 AP I 5 L规定 的相应钢号钢管的屈服值 。如钢级为 X6 5的钢管 ，A P I 5 L规定钢管的最小屈 服值为 4 4 8 MP a ，由冶金厂生产的钢板或钢卷必须大于此值 ，使其加工成钢管后仍能保证最小屈服值不 小 于 4 4 8 MP a 。 在 国际上 ，螺旋 埋弧 焊管 之所 以会被 油 、气 输送行 业逐 渐淘 汰 出局 ，主要是 因为 它 固有 的制造 工艺 本身无法克服的缺陷，使其无法满足顾客越来越高的需求和管道工业飞速发展的客观变化。 3 2 高频电阻焊钢管 ( E R W 直缝管) 高频 电阻 焊 ( E R W )钢管 的发 展虽然 没有 螺旋埋 弧 焊 管 的 时 间悠 久 ，但 也 有数 十 年 的 历史 了 。只 是在近十余年因技术的进步，使其制造工艺不断完善 ，从而迅速扩展了它 的应用范围。据了解 ，目前 E R W 直缝管 不仅 广泛应 用在 陆上 管道 工 程 中 ，而且 近 几年 已开 创 了应 用 于 海 底 管道 的记 录 。E R W 直 缝 管 取得成 功 的原 因主要是 ： 其焊接 过程 与埋弧 焊相 比 ，重 要不 同之 处在 于焊 接过程 中不添加任 何化 学成分，其焊接质量主要依赖于母材的质量 。近年来 ，由于母材一热轧卷板质量的不断提高 ( 如能够 获得较高纯净度的母材) ，所 以在制管过程中，焊缝质量也相应得到提高 ，即使焊缝质量略有不足也不 会 影 响整个 钢管 的使用 质量 。 近年来 ，由于 自动化技 术 的进 步 ，使 得 电 阻焊 的主要 参 数 ( 如 热 入量 、 挤压力 、开角等重要参数)均能按优化数据通过计算机进行控制 ，从而使焊接质量大幅度提高得到了保 障。热处理技术的进步。E RW 直缝管的焊缝需要经过退火处理。如何在生产线上连续、准确地在焊 缝位置上进行热处理，是近几年才获得成功的。目前一般在采用热跟踪技术的同时，在焊缝两侧标记荧 光线 ，使热处理工艺在动态 的情况下不偏离焊缝 区域 。连续跟踪超声波探伤技术的完善。如何在生产 线上 连续 、准确 地在 焊缝位 置上 进行 超声 波探 伤 ，也 是 近几年 在 E R W 直缝 管生 产 作业 线 上解 决 的一 个 重大科 研课题 。 目前 国际上 的 E R W 直缝 管 直径 范 围一般在 6 1 0 mm 以下 ，最 大可 生 产直 径 为 6 6 0 mm，如 日本 川 崎 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷第 5期 陈力等 ：输气 管道 工程中钢管的选用 5 5 5 制管 。而 国际上 直缝埋 弧焊 管 的最 小 直 径 一般 为 6 6 0 mm，最 大 可 达 到 1 6 2 6 mm o所 以 ，近 年来 在 国 际 管道业上倾 向于直径在 6 1 0 mm或更小的管径时 ，使用 E R W 焊管 ；而直径大于 6 6 0 mm 时，则采用直缝 埋弧焊管。在合适 的管径范围内，E R W 直缝管不仅可以用于陆上管道 ，在海底管道 中也被采用 ，甚至 用在北 极地 区 的管道 工程之 中 。 3 3 直缝 埋弧焊 管 ( U O E直 缝管 ) 到目前为止 ，UOE直缝管在焊管市场上仍然被公认为质量最好 、可靠性最高的钢管。对于海底管 道 、河 流穿 越段 的管道 、大 落差地 段 的管道 、经 过地 震 区和活 动断 层地 带 的管道 、经 过沼泽 地带 以及 一 切难于抢修与维护地段的管道，世界各 国的管道设计师仍然首选 uO E直缝管。其原因如下：直缝埋 弧焊管 可 以采 用焊 后全 管长 的冷扩 径 工艺来 涨管 。因而 ，直缝埋 弧 焊管 可 以消除焊 管 的成 型应力 和焊 接 应力。直缝埋弧焊管是在平 面上进行焊接，焊缝是一条直线 ，因而其焊接条件 、焊缝 的在线 自动跟 踪 、在线超声波检测和 x射线探伤检测都 比较容易实现。直缝埋弧焊管 的母材为单张控轧钢板 ，可 以进行 1 0 0 的无损探伤。直缝埋弧焊管的管端加工精度比较高 ，因而直缝埋弧焊管便 于管道的现场 安装与对接组焊，对确保管道施工质量和提高管道的施工进度非常有利。在管道防腐中直缝埋弧焊管 有着不可 比拟的优势。直缝埋弧焊管焊接是采用多丝焊 ，能够使焊缝与母材平滑过渡 ，因此 ，在焊缝两 边不 容易 形成气 穴或 漏点 。 直缝埋 弧焊 管 的焊缝 短 ( 比螺 旋埋 弧 焊管 的 焊缝 要 短近 6 O ) 。由于 钢 管 的缺 陷主 要发生 在焊 缝上 ，焊缝 短就 意 味着可 靠性 的提 高 ，所 以 ，直缝 埋 弧焊 管 的承压 能力 也往往 要超 过螺 旋埋 弧焊管 。 尽管 UO E直缝管的综合性能在长输 管道行业中有 口皆碑 ，但是 ，UOE直缝管 的高 昂价格则 限制 了其在管道行业的快速普及和运用。 4 天然气长输管道及城市燃气管道钢管的选用 天 然气 管道 的管材 选择 是管 道设 计 中非 常重 要 的一 环 。 目前 天 然 气 管 道输 送 采 用 的钢 管类 型 主要 有：无缝钢管、埋弧螺旋焊管和直缝焊钢管等 3种。一般而言，无论选择何种制管类型，都要求管材具 有以下特点 ：管道强度高 ；管道的塑性 、韧性和可焊性好 ；易于加工和制造 ；成本低廉 。 而对于城市外围燃气工程中所使用 的管道 ，则应充分考虑它在使用中的储气和调峰功能。因为城市 外围的燃气管道一般都是高压管道 ，每天都会有一个升压与降压的过程 ，这种一天一个周期 的升压与降 压在分输站的出站端压差为最大 ，考虑到天然气管道 的使用寿命 一般为 3 0年 ，则升压 与降压的次数累 计 可分别 达到 1 0 9 5 0次 。因此 在设 计过 程 中应考 虑钢 管 的疲 劳 破坏 问题 。 关于 天然气 的储 气与 调峰 ， 目前 的主要 实现 手段 有 ：利 用地 下储气 库来 实 现储气 与调 峰 ；利 用 高压 储气 球罐进 行储 气与 调峰 ； 利用 长输 管道进 行储 气 与调 峰 ；利用 天然 气 管 网附近 的机动 气源 进 行调 峰 。 如果考虑在天然气管网附近或主要用气点附近建设地下储气库 ，则必须考虑寻找具备合适地质条件 的构造 ，同时还需要在地面上建造大型的注气站。如果建设地上储气罐，以解决储气与调峰的问题 ，则 需要建造大量的高压球形储罐。上述两条不仅造成整个工程建设的投资大幅增加 ，也使工程项 目的综合 效益降低。而利用天然气管网周围的机动调峰气源 ，具有机动灵活、设备启动和停产方便 、负荷调整范 围大等优点 。但是 ，并不是每一个城市的天然气管网的周 围都会有一个天然气的气源地 ( 如天然气 田、 L NG接收站等等) 。因此，利用管道来实现储气与调峰 ，具有储气压力高、安全可靠 、投资低、易于调 控 等优 点 ，是 一般 常规 做法 。 而作为环城市的高压燃气管网，要承担储气与调峰的重任就必然会对管材的质量和性能提 出更高的 要求。这是因为 ：由于储气与调峰会造成周期性的升压与降压 ，因此必须考虑钢管的疲劳破坏 问题 ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 5 6 石 油天然气学报 ( 江汉石油学院学报) 2 0 1 0年 1 O月 城市燃气高压管网一般在大中城市的市郊及城市外 围敷设 ，这一地区的人口相对比较密集，而且往往 是新 兴 的经 济 开发 区的集 中地 ，因此 对管 道 的安 全要 求 比较高 。 由此可以看出，天然气管道尤其是环城市的高压燃气管网对焊管 的管材提出 了比较高的需求标准。 根据我国的具体情况及管道建设与运营的实践经验一般认为 ：在管道经过的一、二类地区可以采用螺旋 埋弧焊管作为天然气的输送钢管 ，但在三、四类地区及穿 、跨越地区则建议采用直缝焊管，这种做法 比 较稳妥也是符合我国 目前 的经济发展水平和承受能力的。 5 结 语 实际上 ，长输管道上使用何种类型的焊管至今仍是 国际管道工程界一直在探讨和争论的一个问题。 尽管螺旋埋弧焊管有着诸多的缺点和不足 ，但因其价格相对低廉 ，而且随着生产工艺的不断改进和生产 技术的逐步提高 ，其生命力仍然被顽强地延续着 ，目前仍被使用在长输管道工程中。 直缝焊管的 自身优势显而易见 ，但价格因素往往是其发展和普及的最大阻碍，这一点尤其是在第三 世界 国家 或经济 欠发 达 的表现 得最 为明显 和突 出 。 因此 ，我 国的钢 管制造 企业 只要 根据本 身 的能力 和特 点 ，逐 步完 善其 焊管 的生产 工艺 ，提高 焊管 的 制造水平，提升焊管的综合质量 ，我们相信，在 目前我 国长输管道行业飞速发展的今天及今后一段