管道材料技术基础.ppt

胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司 二零零九年十月 管道材料技术基础 主要内容 第一部分钢管 管件及管道附件第二部分焊接材料第三部分阀门及其选用 第一部分钢管 管件及管道附件 一 钢管的分类及采用标准二 管件的分类及采用标准三 管道附件四 金属材料的机械性能五 管道材料的选择六 川气东送管道材料设计七 川气东送国内钢板资源情况八 川气东送钢板的试制与生产九 川气东送钢管的试制与生产 钢管作为钢铁产品的重要组成部分 是压力管道中应用最普遍 用量最大的元件 它的重量占整个压力管道的近2 3 而投资则占近3 5 因此 管子选的好与坏 是否经济合理 直接影响着石油化工生产装置的安全和基建投资费用 其分类方法主要有以下两种 1 按钢管的用途分类 有结构用钢管和流体输送用钢管之分 结构用钢管主要用于一般金属结构如桥 梁 钢构架等 它只要求保证强度与刚度 而对钢管的严密性不作要求 一 钢管的分类及采用标准 流体输送用钢管主要用于带有压力的流体输送 它除了要保证有符合相应要求的强度与刚度外 还要求保证密闭性 即钢管在出厂前要求逐根进行水压试验 对石油化工管道来说 它输送的介质常常是易燃 易爆 有毒 有温度 有压力的介质 故应当采用流体输送用钢管 在实际的工程设计 采购和施工中 经常发现有用结构用钢管代替流体输送用钢管的现象 这是不允许的 2 按因其制造工艺及所用管坯形状不同 分为无缝钢管 圆坯 和焊接钢管 板 带坯 两大类 a 无缝钢管无缝钢管的优点在于无焊缝 往往适用于一些重要场合 如高压 高温 耐腐蚀场合 无缝钢管可供至660mm 热轧常使用至406mm 直径406mm以上均为热扩径轧制 一般热扩钢管壁厚偏差较大 表面质量也差 故较少采用 无缝钢管按制造工艺不同 又分为热轧 挤压 无缝钢管和冷拔 轧 无缝钢管两种 冷拔 轧 管又分为圆形管和异形管两种 无缝钢管的工艺流程如下 热轧 挤压无缝钢管 圆管坯加热穿孔三辊斜轧 连轧或挤压脱管定径 或减径 冷却坯管矫直水压试验 或探伤 标记入库冷拔 轧 无缝钢管 圆管坯加热穿孔打头退火酸洗涂油 镀铜 多道次冷拔 冷轧 坯管热处理矫直水压试验 探伤 标记入库 国内常用的标准 GB3087 1999 低中压锅炉用无缝钢管 GB5310 2008 高压锅炉用无缝钢管 GB6479 2000 高压化肥设备用无缝钢管 GB T8163 2008 流体输送用无缝钢管 GB9948 2006 石油裂化用无缝钢管 GB13296 2007 锅炉 热交换器用不锈钢无缝钢管 GB T14976 2002 流体输送用不锈钢无缝钢管 GB T9711 1 1999 石油天然气工业输送钢管交货技术条件第一部分 A级钢管 GB T9711 2 1999 石油天然气工业输送钢管交货技术条件第一部分 B级钢管 b 焊接钢管常用的焊接钢管根据其生产时采用的焊接工艺不同分为以下三种 1 连续炉焊 锻焊 钢管其特点是生产效率高 生产成本低 但焊接接头冶金结合不完全 焊缝质量差 综合机械性能差 2 电阻焊钢管其特点是生产效率高 自动化程度高 焊接时不需要焊条和焊药 对母材损伤小 焊后的变形和残余应力也较小 但它的生产设备较复杂 设备投资高 对焊接接头的表面质量要求也比较高 3 电弧焊钢管它的特点是焊接接头达到完全的冶金结合 接头的机械性能能够完全达到或接近母材的机械性能 根据焊缝形状的不同 电弧焊钢管又可分为直缝管和螺旋焊缝管两种 根据焊接时采取的保护方法不同 电弧焊钢管又可分为埋弧焊钢管和熔化极气体保护焊钢管两种 油气输送主要使用 直缝高频电阻焊管 HFW 直缝埋弧焊管 SAWL或称LSAW 螺旋缝埋弧焊管 SAWH或称SSAW 等三种 1 直缝埋弧焊管 SAWL 按成形方式的不同又可分为 1 UOE焊管 2 JCOE焊管 3 RBE焊管 钢板上料 焊引弧板 铣边 预弯边 U成型 O成型 水冲洗 干燥 预焊 预焊检查 内焊 焊渣清理 内焊缝检查 外焊 外焊缝检查 超声波检查 引弧板去除 可疑管 X光检查 修磨 补焊 工厂检查 测长 称重 喷打印 存放 用户检查 平头 水压试验 倒棱 管端磁粉分层探伤 人工超声波探伤 判废 判废 管端焊缝磨平 机械扩管 修磨 补焊 扩径后检查 取样 超声波检查 切割 管端X光拍片 可疑管 切割 发货 X光确认 拍片 切割 去磁 UOE管生产流程 2 直缝高频电阻焊管 HFW 直缝高频电阻焊管 HFW 是将热轧卷板 经过连续辊式成形机成形后 利用高频电流的集肤效应和邻近效应的基础上 利用高频电流或感生高频电流所产生的电阻热将管坯的对接边缘加热熔化 在挤压辊的作用下而熔合的工艺过程 3 螺旋缝埋弧焊管对于螺旋缝埋弧焊管 在我国油气输送行业中运用较为广泛 国外加拿大 俄罗斯 德国等也广泛采用 甚至用于抗硫和海底管线 这类制管机组具有生产灵活性大 成本低的特点 国内常用标准 GB T3091 低压流体输送用焊接钢管 主要用于输送水 煤气 空气 油和取暖热水或蒸汽等一般较低压力流体和其他用途管 其代表材质Q235A级钢 GB T14980 低压流体输送用大直径电焊钢管 主要用于输送水 污水 煤气 空气 采暖蒸汽等低压流体和其它用途 其代表材质Q235A级钢 GB T12771 流体输送用不锈钢焊接钢管 主要用于输送低压腐蚀性介质 代表材质为0Cr13 0Cr19Ni9 00Cr19Ni11 00Cr17 0Cr18Ni11Nb 0017Cr17Ni14Mo2等 GB9711 石油天然气工业输送钢管交货技术条件 标准 其主要材质L175 L210 L245 L290 L320 L360 L390 L415 L450 L485 L550 管件是用来改变管道方向 改变管径大小 进行管道分支 局部加强 实现特殊连接等作用的管道元件 在管系中改变走向 标高或改变管径以及由主管上引出支管等均需用管件 管件可用钢板焊制 钢管冲压 铸造或锻造等方法制作 二 管件的分类及采用标准 按用途分类直管与支管连接 如法兰 活接头 管箍 改变走向 如弯头 弯管 分支 三通 四通 平头螺纹管接头 变径 异径管 大小头 异径短节等 封闭管端 法兰盖 管帽 堵头 丝堵 封头等 注 法兰 法兰盖属于管件 但也常单独作为紧固件 按管件分类弯头 异径管 三通 四通 管箍 活接头 管嘴 螺纹短节 管帽 堵头内外丝等 管件连接形式管件的连接形式决定了管件端部的结构型式 它是管件属性描述的基本项目之一 也是管道材料料单中必须标注的内容之一 管件之间 管件和管子之间常用的连接型式有三种 即对焊连接 承插焊连接和螺纹连接 管件的连接型式相应地也有与之相适应的三种型式 但对承插焊连接有插口和承口之分 对螺纹连接有内螺纹和外螺纹之分 一般情况下 每个管件只采用一种连接型式 但有时一个管件的两端可能会同时用到两种连接型式 管件连接形式 对焊连接它是DN 50的管道及其元件常用的一种连接型式 对于DN 40的管子及其元件 因为壁厚一般较薄 采用对焊连接时错口影响较大 容易烧穿 焊接质量不易保证 故一般不采用对焊连接 但下列几种情况例外 1 对DN 40 壁厚大于等于Sch160的管道及其元件 因其壁厚比较厚 也常用对焊连接 2 有缝隙腐蚀介质 如氢氟酸介质 存在的情况下 即使DN 40 壁厚小于等于Sch160道及其元件 也采用对焊连接 以避免缝隙腐蚀的发生 3 对润滑油管道 当采用承插焊连接时 其接头缝隙处易积存杂质而对机械设备产生不利影响 此时也应采用对焊连接 管件连接形式 承插焊连接多用于DN 40 壁厚较薄的管子和管件之间的连接 承插焊连接接头必定是一个为插口管件 另一个则为承口管件 如异径短节 螺纹短节等一般为插口管件 弯头 三通 管帽 加强管嘴 活接头 管箍等为承口管件 在应用中应考虑这些管件之间的搭配组合以及所需的结构空间 管件连接形式 螺纹连接也多用于DN 40的管子和管件之间的连接 它属于可拆卸连接 常用于不宜焊接或需要可拆卸的场合 螺纹连接和法兰连接相比 虽然都属于可拆卸连接 但前者的连接结构尺寸较小 后者的连接较可靠 螺纹连接件有阳螺纹和阴螺纹之分 常用的管件中 螺纹短节为阳螺纹 而弯头 三通 管帽 活接头等多为阴螺纹 使用时应注意它们之间的搭配和组合 螺纹连接与焊接相比 其接头强度低 密封性能差 因此在石油化工生产装置的管道上使用时 常受下列条件的限制 1 螺纹连接的管件应采用锥管螺纹 2 螺纹连接不推荐用在大于200 及低于 45 的温度下 3 螺纹连接不得用在剧毒介质管道上 4 螺纹连接不推荐用在可能发生应力腐蚀 缝隙腐蚀或由于振动 压力脉动及温度变化可能产生交变载荷的管道上 5 用于可燃气体管道上时 宜采用密封焊进行密封 常用的锥管螺纹可分为 550锥管螺纹 多用于欧洲 600锥管螺纹 多用于美国 GB7306为550锥管螺纹螺纹锥度为 1 16 牙型角 550 尺寸范围 1 16 6 螺纹标志代号 R 圆锥外螺纹 Rc 圆锥内螺纹 GB12716为600锥管螺纹螺纹锥度为 1 16 牙型角 600 尺寸范围 1 16 12 标识 NPT两种圆锥管螺纹不能互换 常用管件标准国家标准 1 GB12459 钢制对焊无缝管件 2 GB T13401 钢板制对焊管件 3 GB T14383 锻钢制承插焊管件 4 GB T14626 锻钢制螺纹管件 5 GB T17185 钢制法兰管件 行业标准中石化 1 SH3408 钢质对焊无缝管件 2 SH3409 钢板制对焊管件 3 SH3410 锻钢制承插管件 化工 1 HG T21634 锻钢制承插管件 2 HG T21635 碳钢 低合金钢无缝对焊管件 3 HG T21631 钢制有缝对焊管件 4 HG T21631 锻钢制承插焊 螺纹和对焊接管台 中石油 1 SY T0510 钢制对焊管件 2 SY T5257 油气输送用钢制弯管 管道附件主要由法兰 法兰盖 法兰紧固件及垫片组成 一 法兰及法兰盖种类管道法兰按与管子的连接方式分成以下五种基本类型 平焊 对焊 螺纹 承插焊和松套法兰 管道法兰是石油化工管道系统中最广泛使用的一种可拆连接件 常用的法兰除螺纹法兰外 其余均为焊接法兰 法兰盖又称盲法兰 设备 机泵上不需接出管道的管嘴 一般用法兰盖封住 在管道上则用在管道端部与管道上的法兰相配合作封盖用 三 管道附件 结构型式基本类型 平焊 对焊 承插焊 松套 螺纹法兰 密封面型式平面 FF 突面 RF 凹凸面 MFM 榫槽面 TG 环连接面 RJ 五种 法兰结构型式的选用平焊法兰 多用于介质条件比较缓和的情况下 如低压非净化压缩空气 低压循环水 它的优点是价格比较便宜 对焊法兰 最常用的一种 它与管子为对焊连接 焊接接头质量比较好 而且法兰的颈部利用锥度过渡 可以承受较苛刻的条件 承插焊法兰 常用于PN 10 0MPa DN 40的管道中 松套法兰 常用于介质温度和压力都不高而介质腐蚀性较强的情况 当介质腐蚀性较强时 法兰接触介质的部分 翻边短节 为耐腐蚀的高等级材料如不锈钢等材料 而外部则利用低等级材料如碳钢材料的法兰环夹紧它以实现密封 整体法兰 常常是将法兰与设备 管子 管件 阀门等做成一体 这种型式在设备和阀门上常用 密封面型式的选用全平面密封面 常与平焊型式配合以适用于操作条件比较缓和的 PN1 0 工况下 常用于铸铁法兰或与铸铁连接的钢法兰 凸台面密封面 是应用最广的一种型式 它常与对焊和承插焊型式配合使用 在 美式法兰 中 常用在PN2 0 PN5 0和部分PN10 0MPa压力等级中 在 欧式法兰 中则常用在PN1 6 PN2 5MPa压力等级 凹凸面密封面 常与对焊和承插型式配合使用 在 美式法兰中不常采用 在 欧式法兰 中常用在PN4 0 PN6 4MPa等级中 但它不便于垫片的更换 榫槽面密封面 使用情况同凹凸面法兰 环槽面密封面 常与对焊连接型式配合 不与承插焊配合 使用 主要用在高温 高压或二者均较高的工况 在 美式法兰 中 常用在PN10 0 部分 PN15 0 PN25 0 PN42 0MPa压力等级中 在 欧式法兰 中常用在PNl0 0 PN16 0 PN25 0 PN32 0 PN42 0 法兰的标准体系 国标GB9112 GB9123等效采用了ISO70055 1标准 同时包括 欧式法兰 和 美式法兰 两个体系 其公称直径范围 法兰结构及密封面型式等ISO标准基本相同 公称压力有两个系列 其一是以PN0 25MPa PN0 6MPa PN1 0MPa PN1 6MPa PN2 5MPa PN4 0MPa PN6 3MPa PN10 0MPa PN16 0MPa等九个压力等级组成的系列 属于 欧式法兰 公称直径范围为DN10 DN3000 其二是以PN2 0MPa PN5 0MPa PN15 0MPa PN26 0MPa PN42 0MPa等五个压力等级组成的系列 属于 美式法兰 公称直径范围为DN10 DN600 法兰结构型式有整体 带颈螺纹 对焊 带颈平焊 带颈承插焊 对焊环带颈松套 板式平焊 对焊环板式松套 平焊环板式松套 翻边环板式松套 法兰盖共十一种 密封面型式有平面 FF 突面 RF 凹凸面 MF 榫槽面 TG 环连接面五种 法兰的标准体系 石化行业SH3406等效采用了ANSIB16 5和用API605标准 属于 美式法兰 SH3406在结构尺寸和密封面型式上与B16 5 API605有着很好的互换性 能与ANSI API MSS等国际标准的管道元件配套使用 但因SH3406采用了我国材料标准而不是美国材料标准ASTM 故二者的温度 压力表有少许偏差 故在二者互换时 应注意它们的温度一压力对应允许值 公称压力等级共包括PN1 0 PN2 0 CLl50 PN5 0 CI300 PN6 8 CL400 PNl0 0 CL600 PNl5 0 CL900 PN25 0 CL1500 PN42 0 CL2500 八个等级 公称直径范围为DNl5 DN1500 法兰型式 当DN 600mm时 有对焊 平焊 承插焊 松套 螺纹等五种 当DN 650mm时 仅有对焊型式一种 密封面型式 当DN 600mm时 有凸台面 榫槽面 环槽面 凹凸面和全平面等五种 当DN 650mm时 仅有凸台面一种 法兰的标准体系 化工行业HG20592 HG20605和HG20615 HG20626参照了ISO7005 1标准的编写模式 即同时包含了 欧式法兰 和 美式法兰 两个体系 欧式法兰标准 HG20592 HG20605 的公称压力等级共包括PN2 5 PN6 PN10 PN16 PN25 PN40 PN63 PN100 PN160等九个压力等级 公称直径范围为 DN10 DN2000 法兰型式有板式平焊 带颈平焊 带颈对焊 整体式 承插焊 螺纹 对焊环松套 平焊环松套 法兰盖 衬里法兰等十种 密封面型式有突面 凹凸面 榫槽面 环连接面 全平面等5种 它可以与我国的用JB阀门配套使用 美式法兰标准 HG20615 HG20626 基本上等效采用了ANSI标准 其中 对于DN 600mm的法兰则等效采用了ANSIB16 5标准 而对DN 650nm的法兰则等效采用API605标准 法兰的公称压力等级共包括Class150 PN20 Class300 PN50 Class600 PN110 Class900 PN150 Class1500 PN260 Class2500 PN420 等6个压力等级 公称直径范围为 DNl5 DN1500 mm Class1500与Class2500为DN600及以下 法兰型式有带颈平焊 带颈对焊 整体法兰 承插焊 螺纹 松套等六种 密封面型式有突面 凹凸面 榫槽面 环连接面 全平面等五种型式 法兰的标准体系 机械行业JB T74 JB T90属于欧洲标准体系 其公称压力等级共包括PN0 25MPa PN0 6MPa PN1 0MPa PN1 6MPa PN2 5MPa PN4 0MPa PN6 3MPa PN10 0MPa PN16 0MPa PN20 0MPa等十个压力等级 公称直径范围为 DN15 DN1600 法兰型式有整体 板式平焊 对焊 平焊环板式松套 对焊环板式松套 翻边板式松套和法兰盖等七种型式 密封面型式有平面 凸面 凹凸面 榫槽面 环连接面等五种型式 二 紧固件材料选择法兰连接用紧固件材料时 应同时考虑管道操作压力 操作温度 介质种类和垫片类型等因素 螺栓螺母根据结构型式不同 螺栓分为六角头螺栓和双头螺栓 螺柱 两类 而双头螺栓又分为通丝和非通丝两种 六角头螺栓 常与平焊法兰和非金属垫片配合用于操作较缓和的工况下 双头螺栓 常与对焊法兰配合使用在操作条件比较苛刻的工况下 其中 通丝型双头螺栓没有截面形状的变化 故承载能力强 非通丝型双头螺栓则相对承载能力较弱 螺母 材料常根据与其配合的螺栓材料确定 一般情况下 螺母材料应稍低于螺栓材料 并保证螺母硬度比螺栓硬度低HB30左右 垫片垫片是借助于螺栓的预紧载荷通过法兰进行压紧 使其发生弹塑性变形 填充法兰密封面与垫片间的微观几何间隙 增加介质的流动阻力 从而达到阻止或减少介质的泄漏的目的 垫片性能的好坏以及选用的合适与否对密封副的密封效果影响很大 常用的垫片可以分为三大类 即非金属垫片 半金属垫片和金属垫片 非金属垫片 石棉橡胶垫片 它是通过向石棉中加入不同的添加剂压制而成 在美国 很多标准中都将石棉制品列为致癌物质而禁用 但在世界范围内 石棉仍以其弹性好 强度高 耐油性好 耐高温 易获得等优点而得到广泛应用 适用范围 T 260 PN 2 0MPa SH3401 T 400 PN 4 0MPa 国标 用于水 空气 氮气 酸 碱 油品等介质工况下 聚四氟乙烯 PTFE 包覆垫片 适用范围 T 180 200 PN 4 0MPa常用于低温或者要求干净的场合下 半金属垫片 半金属垫片有缠绕式垫片 金属包覆垫片和柔性石墨复合垫片三大类 缠绕式垫片 是半金属垫片中最理想 也是应用最普遍的垫片 特点 压缩回弹性好 强度高 有利于适应压力和温度的变化 能在高温 低温 冲击 振动及交变载荷下保持良好的密封性能 缠绕钢带 20 1Cr13 0Cr19Ni9 0Cr18Ni10Ti 0Cr17Ni12Mo2等材料非金属缠绕带 特制石棉 柔性石墨带和聚四氟乙烯带适用范围 PN 2 0 10 0MPa 金属包覆垫片 密封性能不如缠绕式垫片 故压力管道中用的不多 它常用在换热器封头等大直径的法兰连接密封副上 柔性石墨复合垫片 由冲齿或冲孔金属芯板与膨胀石墨粒子复合而成 适用于突面 凹凸面和榫槽面法兰 金属垫片 金属垫片常用在高压力等级法兰上 以承受比较高的密封比压 常用的金属垫片有平垫 八角形垫和椭圆型垫三种 金属平垫片 常与凸台面 凹凸面 榫槽面法兰使用 八角形金属垫片和椭园形金属垫片 常与环槽面法兰使用 与椭圆形金属垫片相比八角形金属垫片容易加工 故其应用比较多 金属垫片的材料应配合法兰材料选用 且要求垫片硬度比法兰密封面硬度低 不少于HB30 金属材料的机械性能是指金属在外力作用下表现出来的特性 也称为金属的力学性能 主要有下列几项指标 1 强度极限 b2 屈服极限 s3 延伸率4 断面收缩率 5 冲击功Ak6 硬度 四 金属材料的机械性能 工程上常用和需要引起注意的几项指标 a 强度油气管道发展的趋势是采用大管径 高压输送 从经济性和安全性考虑 一般均选择提高钢管的强度 而不是单纯增加钢管的壁厚 强度的指标主要有强度极限 抗拉强度 b 屈服极限 屈服强度 s等 需要注意的是强度并非愈高愈好 强度高 壁厚薄 此时厚度直径比减小 刚度则降低 b 屈强比管材的屈强比 屈服强度与抗拉强度之比 表示钢材的塑性变形能力 即材料从屈服到最后断裂的塑性变形过程中吸收变形的能力 过去许多规范规定屈强比限定在0 85以下 这对低强度钢种并不困难 而当今微合金化和控轧过程明显提高了钢材的屈服强度 但对抗拉强度的影响则较小 因此近年来提出了按强度级别来规定屈强比的限定值 对X65以上钢管屈强比的限定值一般都提高到0 90 0 93 c 包辛格效应与形变硬化板材在制管成形过程中将会产生形变硬化 可用其形变硬化指数来量度 表示了该管材抵抗继续塑性变形的能力 对于X65及其以下钢级的应力 应变曲线有较大的屈服伸长 而其大直径钢管成形应变量一般为2 3 故这类钢材在成形过程中不出现明显的形变硬化现象 板材在制管成形过程中和随后压平拉伸试样的制作和拉伸试验过程中 经受了拉 压反复应变 其板材经预先加载产生少量塑性变形 而后再同向加载 屈服强度升高 反向加载 屈服强度降低的现象称之为包辛格效应 一般管线钢因包辛格效应而使屈服强度的损失可达15 左右 对于钢板在制管和检测过程中会经多次冷变形 从而发生形变硬化和包辛格效应 同样对于热轧带钢卷制管 其带钢要经过出厂卷捆 有的还要因测试而松捆 再卷捆分包后发运 在其后制管中的诸工序 如松卷 展平 成形 试压以及压平再行拉伸测试等 均是形变硬化和包辛格效应交替进行的过程 相应会导致钢管屈服强度降低或升高 d 延伸率延伸率或称伸长率是金属试件在拉伸试验中断裂时 试件标距长度上的伸仲长量对原标距长度的百分率 它表征金属材料塑性的高低 延伸率越高 塑性越好 一般情况下低屈服极限的管材 具有高的延伸率 对制管中的拉伸变形有更好的适应能力 所制成的管子有更好的塑性 e 韧性韧性是金属材料在塑性变形和断裂全过程中吸收变形能的能力 韧性总是和金属材料的断裂相联系 足够的韧性可以阻止或延缓管材断裂事件的进程 钢材的断裂韧性系指存在缺陷 如裂纹等 的钢材 通过缺陷扩展在破断前吸收变形能的能力 断裂韧性与钢材的化学成分 包括合金元素含量 加工工艺 如热轧管 冷卷管 管体焊缝的焊接 管子或焊缝的热处理等 钢材厚度及其方向性等有关 降低钢材中碳 硫 磷的含量 适当添加铌 钒 钛等合金元素 采用控制轧管 控制冷却等工艺 使钢材的纯净度提高 材质均匀 晶粒细化 则可以提高钢材的断裂韧性 为保证管线的安全可靠性 在管线的设计中要考虑防止管线在正常运行时发生断裂 同时还应考虑管材一旦发生裂纹扩展时 能在短的扩展路程范围内止裂 阻止断裂事故的发生与扩展 以尽量降低危险和减少损失 对于管线断裂可分为韧性断裂和脆性断裂 为了防止管线在工作条件下断裂 可从消除管线裂纹缺陷和提高管材断裂韧性两个方面入手 对前者属于制管和施工应防止的 后者则应从选择管线用钢 提高钢材断裂韧性来防止管线断裂 因此 具体可从两个渠道着手 一是要保证管线不发生脆性断裂 即材料应具有足够低的韧脆转变温度可以用钢材的落锤撕裂试验 DWTT或DWT试验 的剪切面积作为防止管道脆性破坏的主要控制指标 一般规范要求在最低运行温度下试样断口剪切面积应大于85 二是要保证管道一旦发生裂纹时不产生长距离的扩展 即材料应具有足够高的夏比 V形缺口 冲击韧性 起裂 止裂韧性 对于母材 当钢材的韧性值满足止裂要求时 其韧性值一般也都满足防止起裂的要求 但对于焊缝 要保证与母材等韧性的要求是较为困难的 故对焊缝的韧性要求一般按照防止起裂的韧性计算 对于母材的止裂韧性要求 APl5L及GB T9711 1标准列出了夏比冲击功及最小剪切面积百分率的具体要求 其中GB T9711 2列出了不同安全系数 不同钢号 不同管径夏比冲击功及落锤撕裂试验剪切面积百分率的具体要求 钢材中常见的缺陷 钢在冶炼和轧制过程中 由于工艺不当 成型之后 钢材会产生一些缺陷 常见的缺陷有重皮 分层 低熔点夹杂物 非金属夹杂物 皮下气泡 疏松 组织和成分的偏析 裂纹与白点等 这些缺陷不仅严重影响钢材的机械性能和使用性能 而且给钢材加工造成困难 根据情况可对钢材进行必要检验 常用的有低倍组织检查 断口检查及超声波检查 压力管道常用的无损检测有 射线检测 超声检测 磁粉检测 涡流检测和渗透检测 石油化工装置设备和管道的操作条件多处于高温 低温 高压状态 使用和生产的物质多为可燃易爆 为了减少和防止火灾 爆炸危险 正确选择设备和管道的材料是至关重要的 一 碳素钢和合金钢a 碳素钢含碳量低于2 11 并含有少量硅 锰 硫和磷 铜 铬 镍等杂质的铁碳合金称为碳素钢 b 合金钢为提高钢的某些性能 必须向钢中加入某一种或某几种其它元素 这种钢称为合金钢 加入的元素称为合金元素 五 管道材料的选择 二 高温用钢管的材料温度超过350 谓之高温 高温用钢是指具有较高强度的钢材 高温操作环境 可能会给使用的金属材料带来以下三种不利的变化 高温 机械型破坏高温 冶金不稳定型破坏高温 化学不稳定型破坏 就腐蚀的动力学来说 温度是导致金属腐蚀的一个重要因子 尤其是高温下 金属元素更加活泼 因此 金属的高温腐蚀更是严重 在石油化工装置里 高温并伴有腐蚀的管道必须使用耐腐蚀材料 高温 不伴有腐蚀的管道则应使用高温 高压钢管 碳素钢的上限使用温度为450 左右 碳素钢在425 左右会引起石墨化现象 致使强度下降 所以必须添加合金元素以改善碳素钢的高温强度 三 耐热用钢管的材料所谓耐热用材料 是指具有耐氧化性 耐气体腐蚀性 高温强度 不发生高温脆化 热冲击强度高等性能的材料 为了使钢管具有良好的耐氧化性能 必须加入适当的Cr A1 Si等金属元素 这些元素能使钢的表面产生难以剥离的氧化薄膜 常用金属材料的抗氧化极限温度 四 低温用钢管的材料一般低温系指 20 196 范围内 温度再低就是深低温 超低温 在石化企业中应用较少 对于钢管材料的选择 在 20 196 范围内有可以做如下划分 20 40 不宜用碳素钢管 40 70 不宜用低合金钢管 70 196 不宜用一般合金钢管 196 以下 不宜用低碳素普通不锈钢管 在低温情况下 材料因其原子周围的自由电子活动能力减弱和 粘结力 的增加而使金属呈现脆性 一般情况下 对于每种材料 都有一个脆性转变温度 为了衡量材料在低温下的韧性 常用低温冲击韧性 冲击功 来衡量 塑性材料在常温或高温下均呈塑性断裂 断裂前有较大的塑性变形及缩颈 断裂过程较慢 在低温下 塑性材料将呈现脆性断裂 它在断裂前没有明显的塑性变形及缩颈 断裂常常是突然发生 为了保证材料的使用性能 不仅要求材料在常温时具有足够的强度 韧性和加工性能以及焊接性 而且要求材料在低温时也具有抗脆化的能力 工程中解决低温脆断的方法是限制材料在脆性转变温度以上使用 或通过设计温度下的冲击试验证明材料在设计温度下的冲击功不低于某一值 对应与脆性转变温度的冲击功值 时方可应用 五 钢管类型选择1焊接钢管连续炉焊 锻焊 钢管在管道中仅用于低压水和压缩空气系统 电阻焊钢管由于接头处难免有杂质存在 所以接头处的塑性和冲击韧性较低 不宜用于高温情况下和重要的场合 一般规定电阻焊钢管应使用在不超过200 的情况下 电弧焊钢管在经过适当的热处理和无损检查之后 电弧焊直缝钢管的使用条件可以达到无缝钢管的使用条件而取代无缝钢管 螺旋缝焊接钢管与直缝钢管相比 其焊缝线度长 相对焊接缺陷大 但焊缝的受力为二维拉应力 其焊缝受力状况优于直缝钢管 一般情况下 螺旋缝焊接钢管适于设计温度为0 200 设计压力不超过1 0MPa的无毒介质管道 直缝焊接钢管不宜用于设计压力大于5 0MPa的工况 当其焊缝系数小于1 0时 不宜用于极度或高度危害介质的输送 2无缝钢管 1 碳素钢无缝钢管石油化工生产装置中 常用的碳素钢无缝钢管标准有GB T8163 GB9948 GB6479 GB3087 GB5310五种标准 GB T8163 流体输送用无缝钢管 标准是应用最多的一个钢管制造标准 其制造方法有热轧 冷拔 热扩三种方式 规格范围为DN6 DN600 壁厚包括从0 25mm 75 0mm共66种规格 材料牌号有10 20 Q295 Q345共4种 适用于一般流体的输送 GB9948 石油裂化用无缝钢管 是一个包括碳素钢 合金钢 耐热钢 不锈钢等多种材质的钢管制造标准 制造方法有热轧 冷拔两种方式 其规格范围为DN6 DB250 壁厚包括从1 0mm 20 0mm共16个规格 它包含的碳素钢材料牌号有10 20共2种 一般情况下 它常用于不宜采用GB T8163钢管的场合 GB6479 高压化肥设备用无缝钢管 也是一个包括碳素钢 合金钢 不锈钢等多种材质的钢管制造标准 制造方法有热轧 冷拔两种方式 其规格范围为DN10 D400 壁厚 40 0mm等多种规格 包含的碳素钢材料牌号有10 20 16Mn共3种 一般情况下 它适用于设计温度为 40 400 设计压力为10 0MPa 32 0MPa的油品 油气介质 GB3087 低中压锅炉用无缝钢管 标准的钢管制造方法有热轧 冷拔两种方式 规格范围为DN6 DN600 壁厚包括从1 5mm 65 0mm等多种规格 材料牌号有10 20共两种 适用于低中压锅炉的过热蒸汽 沸水等介质 GB5310 高压锅炉用无缝钢管 是一个包括碳素钢 合金钢 不锈钢等多种材质的钢管制造标准 制造方法有热轧 冷拔两种方式 其规格范围为DN15 DN500 壁厚包括从2 0mm 70 0mm等多种规格 包含的碳素钢材料牌号只有20G 20MnG 25MnG三种 适用于高压蒸汽锅炉 管道等用 从检查试验角度来讲 一般流体输送用钢管必须进行化学成分分析 拉力试验 压扁试验和水压试验 GB5310 GB6479 GB9948三种标准的钢管 除了流体输送用钢管必须进行的试验外 还要求进行扩口试验和冲击试验 其中 GB6479标准还对材料的低温冲击韧性做出了特殊要求 应当说这几种钢管的制造 检验要求是比较严格的 对于GB3087标准的钢管 除了流体输送用钢管的一般试验要求外 还要求进行冷弯试验 对于GB T8163标准的钢管 除了流体输送用钢管的一般试验要求外 可根据协议要求进行扩口试验和冷弯试验 这两种管子的制造 检验要求不如前三种严格 从制造质量角度来讲 GB T8163和GB3087标准的钢管多采用平炉或转炉冶炼 其杂质成分和内部缺陷相对较多 CB9948标准的钢管多采用电炉冶炼 在一些无缝钢管生产大厂 GB9948标准中虽然没有要求必须进行炉外精炼 但为了保证它在苛刻条件下的使用质量 均超标准加入了炉外精炼工艺 因此其杂质成分和内部缺陷相对较少 GB6479和GB5310标准本身就规定了应进行炉外精炼的要求 故其杂质成分和内部缺陷最少 材料质量最高 上述几个钢管标准的制造质量等级从低到高的顺序依次应是GB T8163 GB3087 GB9948 GB5310 GB6479 从使用角度来讲 一般情况下 GB T8163标准的钢管适用于设计温度小于350 压力低于4 0MPa的油品 油气和压力低于10 0MPa公用介质条件下 对于油品 油气介质 当其设计温度超过350 或设计压力大于4 0MPa用时 宜选用GB9948或GB6479标准的钢管 对于存在氢脆或氢腐蚀的管道 或者在有应力腐蚀倾向环境中工作的管道 也宜使用GB9948或GB6479标准 这是因为 氢脆或氢腐蚀环境存在时 会因它的内部缺陷对介质有破坏敏感作用而导致管子使用寿命下降 甚至过早的产生破坏 凡是低温下 小于 20 使用的碳素钢钢管应采用GB6479标准 这是因为只有它规定了能满足对材料低温冲击韧性的要求 GB3087和CB5310标准是专门为锅炉用钢管而设置的标准 锅炉安全监察规程 强调指出 凡与锅炉相连的管子都属监察范围 其材料与标准的应用都应符合 锅炉安全监察规程 的要求 故锅炉 电站 供暖以及石化生产装置中用到的公用蒸汽管道 由系统供给 等都应采用GB3087或GB5310标准 值得注意的是 质量好的钢管标准 钢管的价格也比较高 如GB9948比GB T8163同材料的价格高近1 5 因此 在选用钢管材料标准时 应依据使用条件综合考虑 既要可靠又要经济 2 铬钼钢和铬钼钒钢无缝钢管石油化工生产装置中 常用的铬钼钢和铬铝钒钢无缝钢管标准有GB9948 GB6479 GB5310共三个标准 GB9948标准包含的铬钼钢材料牌号有l2CrMo l5CrMo 1Cr2Mo 1Cr5Mo共4种 GB6479标准包含的铬钼钢材料牌号有l2CrMo l5CrMo 1CrMoaw共3种 GB5310标准包含的铬铂钢和铬铂钒钢材料牌号有l5MoG 20MoG l2CrMoG l5CrMoG l2Cr2MoG 12CrMoVG共6种 值得注意的是 同是l5CrMo材料 按GB5310标准生产的钢管和按GB9948生产的钢管相比 它们的许用应力值相差近1 3 前者较高 3 不锈钢无缝钢管石油化工生产装置中 常用的不锈钢无缝钢管标准有GB T14976 GBl3296 GB9948 GB6479 GB5310共五个标准 其中 后三个标准中仅列出了两三个不锈钢材料牌号 而且是不常用的材料牌号 因此 当工程上选用不锈钢无缝钢管标准时 基本上都选用GB T14976和GBl3296标准 GB T14976 流体输送用不锈钢无缝钢管 标准是一个通用的不锈钢钢管制造标准 其制造方法有热轧 冷拨两种方式 规格范围为 DN6 DN400 壁厚包括从1 0mm 28 0mm共33种规格 材料牌号有0CrI8Ni9 304 lCrl8Ni9Ti 不推荐使用 00Cr19Nil0 304L 0Crl7Ni12Mo2 316 00Crl7Ni4M02 316L 0Crl8Ni10Ti 321 0Crl8NillNb 347 0Cr25Ni20 310 等共27种 适用于一般流体的输送 GBl3296 锅炉 热交换器用不锈钢无缝钢管 是一个锅炉和热交换器专用的不锈钢钢管制造标准 制造方法有热轧 冷拨两种方式 其规格范围为DN6 DN150 壁厚包括从1 2mm 13 0mm等多种规格 包含的不锈钢材料牌号有0Crl8Ni9 304 00Cr19Ni10 304L 0Crl7Nil2Mo2 316 00Crl7Nil4M02 316L 0Crl8Ni9Ti 321 0Cr18Ni11Nb 347 1Crl8Ni9Ti不推荐使用 0Cr25Ni20 310 等31种 上述不锈钢材料牌号中 超低碳不锈钢 00Cr19Ni10 00Cr17Ni14Mo2 具有优良的抗腐蚀性能 在一定条件下 可代替稳定型不锈钢 0Crl8Ni10Ti 0Crl8NillNb 用于抗介质的腐蚀 但超低碳不锈钢高温机械性能较低 一般仅用于温度低于525 的条件下 稳定型奥氏体不锈钢既具有较好的抗腐蚀性能 又有较高的高温机械性能 但0Crl8Ni10Ti中的Ti在焊接过程中易被氧化而失掉 从而降低了其抗腐蚀性能 而0Crl8NillNb价格较高 因此这类材料一般用在较重要的场合 0Crl8Ni9和0Crl7Nil2Mo2具有一般的抗腐蚀性能 价格便宜 因此广泛用在腐蚀环境不太恶劣尤其是没有晶间腐蚀的环境中 六 石油天然气输送钢管石油天然气输送钢管应用最为广泛的标准是GB T9711 石油天然气工业 输送钢管交货技术条件 该标准等效采用ISO3138 石油天然气工业 输送钢管交货技术条件 标准 ISO3138标准是根据ANSI APISpec5L 第41版 标准制定 该标准分三部分 第一部分 A级钢管 第一部分 B级钢管 第一部分 C级钢管 A级钢管是基本的质量要求 B级钢管是不同于基本标准的要求或在基本标准上增加了附加要求 在长输管线中较长见 C级钢管是有某些特殊用途 又增加了一些非常严格的质量和试验要求 A级钢管是基本的质量要求应用最为广泛 规定石油天然气工业中用于输送可燃流体和非可燃流体的非合金钢和合金钢无缝钢管和焊接钢管的交货技术条件 钢管外径采用 小外径 系列 管外径范围60 3 2032mm 壁厚范围2 1 31 8mm 钢级主要有L175 L210 L245 L290 L320 L360 L390 L415 L450 L485 L550 GB T9711与ANSI APISpec5L 第44版 钢级对比表 川气东送管道工程西起川东北普光首站 东至上海末站 是继西气东输管线之后又一条贯穿我国东西部地区的管道大动脉 川气东送管道包括1条干线 2条支线和1条专线 线路全长约2174km 川气东送管道输送介质主要有天然气 放空天然气 排污凝液与水等 根据输送工艺确定采用2 0MPa 5 0MPa 8 0MPa 10 0MPa四种压力等级 干线起点为普光首站 终点为上海末站 全长约1700km 管径 1016 设计压力10MPa 支线管径有 914 813 711 508等 可以看出 川气东送天然气管道工程管道的主要特点就是高压力 大口径 六 川气东送管道材料设计 1 大口径油气输送钢管的历史与现状输送油 气的大口径钢管 是20世纪初首先在美国发展起来 1926年 美国石油学会发布的API5L标准只包括三个碳素钢级 第36版到现在的第43版包括A25 A B X42 X46 X52 X56 X60 X65 X70 X80共11个钢级 作为管线钢管国际标准的新版ISO3183标准则提出了供管线应用的X90 X100 X120管钢管标准 随着输气管道输送压力的不断提高 输送钢管迅速向高钢级发展 60年代一般采用X52钢级 70年代普遍采用X60 X65钢级 近年来以X70钢级为主 国外近几年新建的管道基本上都是X70钢级 从80年代中期开始研究和试验X80 1993年德国首次在工程上使用X80钢级 此后X80钢级在世界范围内得到了应用 已批量用于管道建设中 X100管道钢管已在日本NKK 新日铁 住友 川崎和欧洲钢管公司开发出来 2004年 加拿大进行了X120钢管1 6km试验段的铺设 我国的管线钢发展可以用 起步晚 步子快 这六个字来形容 1995年以前 中国的输气管材用钢基本停留在小口径 低钢级上 从1996年在陕京线上首次采用X60钢 2001年在西气东输工程中应用X70钢 到2005年在冀宁支线上使用X80钢 短短10年间 中国管线钢已然跨越了三个台阶 西气东输工程是国内首次采用X70钢级 跟上了国外的发展水平 西气东输工程X70钢级的螺旋缝焊管实现了国产化 但直缝埋弧焊管大部分仍依赖进口 21mm 30 4mm的厚钢板及弯管用母管全部进口 在西气东输工程之后 川气东送管道项目前 我国在大口径 大壁厚 高钢级钢管和弯管生产方面存在以下不足 高钢级 大口径直缝埋弧焊管大部分从国外进口 国内生产直缝埋弧焊钢管所用钢板也均从国外进口 钢管壁厚增加 钢管焊缝质量控制 尺寸精度及钢管整体质量控制需要进行深入研究 高钢级 大口径弯管用母管全部从国外进口 X70钢级大口径感应加热弯管的母管及其板材的成分设计 生产等方面在国内尚属空白 国内缺乏使用国产母管生产X70钢级大口径感应加热弯管的成熟工艺和实际经验 川气东送管道工程 通过钢厂 如宝钢 鞍钢 管厂 弯管厂与西安管材研究所 胜利工程设计咨询有限责任公司等单位的通力合作和研究 通过大量的试制和改进措施 实现了X70钢级大口径直缝埋弧焊管 21mm 30 4mm的X70钢级厚钢板及X70钢级弯管用母管的全线国产化 使用国产母管也生产出合格的X70钢级大口径感应加热弯管 这标志着我国天然气管道工业发展到一个新的水平 2 线路用管选材原则管道用管的选择不仅关系到建设的投资成本 而且关系到以后的安全可靠运营 线路用管选用的基本原则是 a 保证钢管安全可靠 生产技术先进 价格经济合理 b 应满足介质的特性 设计压力 环境温度 铺设方式以及所在地区等级的要求 c 保证钢管具有满足管道要求的刚性 强度 韧性和可焊性 并尽量减少耗钢量 d 氢致开裂 HIC 是输气管道失效原因之一 HIC主要与H2S分压等因素有关 由于从钢材冶炼上考虑抗HIC性能将增加钢板的生产难度和投资费用 因此 川气东送管道工程应以控制气质指标为主 含硫量和介质PH值必须满足有关标准要求 不合格的气体不允许进入输气管道 3 管材钢级选择在保证安全性的前提下 高压输气管道使用高强度钢级的管材可以减小壁厚 从而减少管材耗钢量 大大降低管道的建设成本 九十年代以来 国外长距离大口径输气管道所用管材以X65和X70为主 这两种钢级的使用量占了主导地位 根据国内外工程建设的经验 输气压力在7 10MPa时X70和X65是大口径输气管道用管比较理想和应用较为成熟的钢级 虽然世界上已有10条输气管道采用X80级钢管 共铺设了约500km管道 但由于X80级焊管在生产 焊接等方面的技术不够成熟可靠 因此X80级焊管的应用还比较有限 在选用管道材质时既要考虑经济性 更要考虑安全性 结合川气东送工程的工艺条件和自然条件 以及保证线路用管的可靠性 本输气管道钢管的制造标准采用APISPEC5L 43版 管道材质应具有较高的强度 良好的韧性和可焊性 线路用管钢级应按X70 X65选取 其化学成分和机械性能均应符合标准的要求 经过西气东输和陕京二线工程的建设 国内制管厂 钢板生产厂和施工企业已经对X70焊管有相当的生产和施工经验 采用X70钢级的整体经济性比X65更好 因此 川气东送输气管道干线推荐选用X70钢级 部分支线推荐选用X70钢级 X65钢级和X60钢级 4 钢管类型选择与比较APISPEC5L规定油气输送管按生产工艺不同分为无缝钢管 电阻焊钢管 埋弧焊钢管等8种 但主要使用的有无缝钢管 Seamless 直缝高频电阻焊管 简写为ERW 直缝埋弧焊管 简写为LSAW 螺旋缝埋弧焊管 简写为SSAW 等4种 其中LSAW按成型方式的不同分为UOE JCOE等10余种 由于无缝钢管和ERW钢管尺寸的限制 一般用于公称直径小于500mm的管道 主干线 一般管径较大 主要采用LSAW焊管和SSAW焊管 而对于LSAW焊管和SSAW焊管的选用 国外一直有截然不同的意见 美国 日本总体上是否定SSAW焊管的 认为主干线不宜使用SSAW焊管 美国本土近20年建造的油气输送主干线 几乎100 为UOE管 俄罗斯总体上是肯定SSAW焊管的 德国 意大利则有两派不同的意见 在加拿大 SSAW焊管与LSAW焊管完全处于同等位置 但主干线实际使用量中 SSAW焊管占70 左右 SSAW焊管和LSAW焊管都采用双面埋弧焊 焊接接头质量应可达到同样水平 SSAW焊管和LSAW焊管的主要区别是焊缝的长度和走向 SSAW焊管的焊缝较LSAW焊管长 焊缝缺陷发生的几率较高 这是SSAW焊管的劣势 SSAW焊管焊缝与管道主应力方向有一定角度 使焊缝缺陷当量长度缩短 对单个缺陷而言 危险性减小 这是SSAW焊管的优势 上述劣势与优势大体上可以抵消 SSAW焊管的焊缝走向及母材的特殊方向性 对止裂是有利的 为能全面掌握进口UOE直缝埋弧焊钢管 LSAW钢管 的质量水平 中石油管材研究所和石油规划设计总院共同对国产SSAW和进口LSAW焊管进行了系统的对比试验研究 得出了如下结论 一是国产SSAW焊管母材 焊缝 热影响区的强度 韧性 包括低温韧性 断口形貌转变温度FATT 落锤撕裂试验DWTT 和疲劳性能均达到了进口UOE焊管水平 二是国产SSAW焊管的残余拉应力总体上比进口UOE焊管高 表面质量与尺寸精度也较UOE焊管差 需要采取相应措施加以改进 三是经过严格质量控制的国产SSAW焊管可以用于油气输送主干线 根据国内钢厂和