第26卷第5期天然氣與石油2008年10月Natural Gas And Oil0ct.2008天然氣工程中低溫鋼的選用楊汗青',潘亞東,吳惠芳2(1.中國(guó)石油工程設(shè)計(jì)有限公司西南分公司,四川成都610017;2.中國(guó)石油工程設(shè)計(jì)有限公司,北京100085)摘要:在天然氣地面工程建設(shè)中,涉及到低溫條件用鋼的情況越來越多,如若選擇不當(dāng)將會(huì)對(duì)管道及站場(chǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行帶來隱患;低溫鋼在材料成本及制造檢驗(yàn)方面所需費(fèi)用較高,如何恰當(dāng)而經(jīng)濟(jì)地選擇低溫鋼對(duì)工程建設(shè)的成本控制有著積極的意義。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范的介紹及詳盡對(duì)比,對(duì)工程設(shè)計(jì)中低溫壓力容器、低溫閥門、低溫鋼管的選用做了總結(jié)。關(guān)鍵詞:低溫鋼;材料;韌性;使用溫度文章編號(hào):1006539(2008)05002204文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(xiàn)象被稱為金屬材料的低溫脆性轉(zhuǎn)變,這一臨界溫度稱為材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度。材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度近年來,隨著我國(guó)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(xiàn)象曾在世發(fā)展,在氣田開發(fā)、液化氣(LNG)存儲(chǔ)和輸送、石油界上造成多次災(zāi)難性事故,因此,在工程建設(shè)中必須化工等各方面對(duì)低溫金屬材料的需求越來越多。若對(duì)此加以特別重視。對(duì)低溫工況中的金屬材料選擇不當(dāng),將有可能為工程建設(shè)后運(yùn)行過程中留下安全隱患;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(duì)較高,如何恰當(dāng)?shù)倪x擇低溫材料,對(duì)控制工程建設(shè)中的投資也有著積極意義。通常情況下,我們將存儲(chǔ)和輸送低溫介質(zhì)以及在寒冷地區(qū)服役的設(shè)備和管道稱為低溫容器、低溫管道,而用于制造這些低溫容器、低溫管道所用的碳1低溫危害鋼、低合金鋼奧氏體不銹鋼等統(tǒng)稱為低溫鋼。作為低溫鋼主要用來存儲(chǔ)輸送低溫介質(zhì),與低溫同低溫鋼除強(qiáng)度外,最重要的指標(biāo)就是其低溫沖擊韌時(shí)存在的往往還有高壓。比如在一些凝析氣田的開性,要求其脆性轉(zhuǎn)變溫度低于材料的最低使用溫度,在使用溫度條件下,具有足夠的沖擊韌性,有足夠的發(fā)中,使用J-T閥制冷后的介質(zhì)溫度低至-20防脆性開裂能力和抗裂紋擴(kuò)展的止裂能力。40℃,壓力高達(dá)6~8MPa;LNG的存儲(chǔ)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(duì)于存儲(chǔ)和輸送這些介質(zhì)的設(shè)備和冷脆現(xiàn)象而面心立方晶格的金屬材料(奧氏體鋼管道來說除了滿足最基本的強(qiáng)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(duì)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,可以通過提高純凈度、細(xì)化晶粒以及合金溫情況下,材料因其原子周圍的自由電子活動(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(jié)力”減弱會(huì)使金屬呈現(xiàn)脆性斷裂的傾向,對(duì)溫鋼都要求使用鎮(zhèn)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(dāng)環(huán)境溫度低素的miX中國(guó)煤化工等元素顯著提高鋼收稿日期:200807-15CNMHG作者簡(jiǎn)介:楊汗青(1979-)男湖南湘陰人,工程師,學(xué)士,畢業(yè)于西南油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè),主要從事天然氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)計(jì)工作。電話:(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(qiáng)度和韌性,加入鉬(M)使鋼的晶粒細(xì)化等等。以下,HG20585-1998《鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)值得一提的是,合金元素鎳(Ni)加入鋼中,固熔于定》中,低溫壓力容器的定義為設(shè)計(jì)溫度-20鐵素體能顯著改善基體的韌性因此鎳(№)是發(fā)-196℃。美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)體系中,沒有對(duì)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(biāo)為滿足低溫工況下的要求,在低溫設(shè)備和管材準(zhǔn)。GB150-1998《鋼制壓力容器》規(guī)定:制造低溫的選型過程中,通常從化學(xué)成分、制造工藝、強(qiáng)度要壓力容器所用的碳素鋼和低合金鋼均“應(yīng)按附錄C求(屈強(qiáng)比)、熱處理狀態(tài)材料試驗(yàn)要求等各方面中的規(guī)定進(jìn)行夏比(Ⅴ型缺口)低溫沖擊試驗(yàn)。奧提出標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)中把沖擊值降到擊試驗(yàn)?zāi)骋惶囟ㄔ试S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(zhuǎn)變溫度。在施工過程中,由于金鋼牌號(hào)、沖擊試驗(yàn)(標(biāo)準(zhǔn)試樣)最低溫度及沖擊功鋼管的對(duì)接焊縫相對(duì)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(jí)性,因此應(yīng)對(duì)焊接工藝評(píng)定方法及焊縫的沖擊試驗(yàn)低溫壓力容器的經(jīng)濟(jì)又成熟的鋼種,在工程建設(shè)中提出要求。被廣泛應(yīng)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(guó)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(shè)計(jì)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(hào)及要求鋼號(hào)使用狀態(tài)夏比沖擊試驗(yàn)厚度/mm最低溫度/℃Akx/執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)6--2516MnR熱軋正火6-12007 MnCrMoVR調(diào)質(zhì)16--50GB150-199816MnDR36~100GB3531-19907MnNiCrMoVDR調(diào)質(zhì)000005GB150-199815MnNiDR正火,正火加回火6~60≥27GB3531-199609Mn2VDR(已取消)正火,正火加回火GB3531-199609Mn NiDR正火,正火加回火6-60-70≥27GB3531-199629℃時(shí),AP6D以及GB/T19672均要求對(duì)所有碳4低溫閥門鋼和低合金鋼閥門承壓部件進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)。GB/T19672-2005《管線閥門技術(shù)條件》推薦用于在天然氣閥門制造行業(yè)經(jīng)常用于制造閥門主低溫閥門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JB/T7248-94《閥門用低溫鋼鑄件技術(shù)條件》中規(guī)不銹鑄鋼。定,LCB、LC1、LC2使用溫度從-46℃到-73℃,除在GBT1229-2005《通用閥門碳素鋼鑄件技此之外,還有用于低溫閥門制造用的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-10℃。 ASME SA-352/ZC250-485、ZC275-485,它們與 ASME SA-21SA-352M中,除了國(guó)標(biāo)中已采用的LCB、LC1、LC2SA-216M中的 WCA, WCB、WCC完全等同。國(guó)內(nèi)LC3外在碳素鋼鑄造閥門的制造中,絕大多數(shù)材料采用用溫V凵中國(guó)煤化工等鋼種其最低使CNMHG2)。在閥門實(shí)際WCB或wcc。 ASMe B1634中規(guī)定WCB和WC生產(chǎn)中,最常用的是LCB和LC。的適用溫度范圍為-29~425℃。當(dāng)設(shè)計(jì)溫度低于4氣與2008年表2適用于低溫條件下的鑄鋼牌號(hào)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(yàn)粒純凈度、熱處理狀態(tài)等方面提出要求;力學(xué)性能則標(biāo)準(zhǔn)試樣)抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度試驗(yàn)溫度A主要是屈強(qiáng)比、低溫沖擊試驗(yàn)要求和落錘撕裂試驗(yàn)(DwTT)等方面。碳鋼415~585在長(zhǎng)輸管道的建設(shè)中,最常選用的是符合碳鋼450~62024T971l系列標(biāo)準(zhǔn)的管材,它們大致與SO3183系列碳錳鋼485~65527546≥18LCl碳鉬鋼450~620240s≥20標(biāo)準(zhǔn)等效。在GB/T9112-199中推薦的夏比沖LC22.5%鎳鋼485~擊試驗(yàn)溫度為0℃,而通常在選用過程中,會(huì)根據(jù)實(shí)LC2-1鎳鉻鉬鋼725奶際需要,將這一試驗(yàn)溫度降低至一定值比如-20℃LC33.5%鎳鋼48并規(guī)定此時(shí)管體和焊縫夏比沖擊試驗(yàn)的最低要求1CA4.5%鎳鋼485-6527515220AP5L對(duì)FSI2級(jí)的鋼管也提出了夏比沖擊試驗(yàn)要9%鎳鋼515196≥27求,對(duì)于低溫情況下的夏比沖擊功(平均值)的要求CA6NM2.5%鉻鎳鉬鋼760-93055073≥27為:橫向試樣≥27,縱向試樣≥41J,并對(duì)X80及以在GBT19672-2005(管線閥門技術(shù)條件》中,上鋼級(jí)的沖擊試驗(yàn)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:CF3、CF8、CF3M采用的無縫管標(biāo)準(zhǔn)是GB/T8163-1999(輸送流體CF8M、CF8C和 ZG1 Crl8N9T。其中,CF3、CF8、用無縫鋼管)和CB6479-20高化肥設(shè)備用無CFM、CF8M、CF8C材料標(biāo)準(zhǔn)都是由 ASME SA縫鋼管)。GBT8163-1999并未對(duì)材料作沖擊韌351/SA-3M轉(zhuǎn)化而來。在制造-101℃以下低性試驗(yàn)要求適用于輸送流體的一般用途。低溫情溫閥門中,國(guó)內(nèi)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CBCF8M,其使用溫度能低至-196℃。由于N鋼熱處6479-200高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管),其對(duì)10理工藝復(fù)雜和生產(chǎn)周期長(zhǎng)等原因CF8和CF8M還號(hào)、20號(hào)16Mn三種牌號(hào)鋼管的低溫沖擊性能提出常常用來代替鎳鋼作為生產(chǎn)低溫閥門用的主材。了明確要求。除此之外,國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)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(guī)范轉(zhuǎn)化而來的GB/T18984-2003《低溫管道用無縫鋼管》規(guī)范,該為保證選用的管材符合在低溫條件下服役的安規(guī)范涵蓋五個(gè)牌號(hào)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℃(見表3)。更低設(shè)計(jì)溫度下的壓力管道等方面對(duì)管材提出基本要求。對(duì)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、0等有害元素的含量和提出表3低溫鋼管牌號(hào)及要求縱向力學(xué)性能夏比沖擊試驗(yàn)(標(biāo)準(zhǔn)試樣牌號(hào)抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度/MPa/MPa斷后伸長(zhǎng)率試驗(yàn)溫度/℃An/J壁厚≤16mm壁厚>6mm16MnDG490~665≥325≥31530≥2110MnDG≥24035≥21OODG≥2109Mn2VDG≥45006Ni3 MoDG≥250≥21除上述在國(guó)內(nèi)普遍遵行的做法外符合ASmM鋼及中國(guó)煤化工除對(duì)低溫沖擊試驗(yàn)A3334333 ASME SA-333/SA-333M)標(biāo)準(zhǔn)的做了低溫管材在國(guó)外已廣泛適用于低溫用無縫和焊接碳理CNMHG進(jìn)行相應(yīng)的熱處具業(yè)m。夜4列出了A33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(jí)別鋼管的沖擊試驗(yàn)最低溫度值。往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單純承壓所需要的壁厚,此時(shí)可以通表4 ASTM A33標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼管沖擊試驗(yàn)的要求過計(jì)算管道在工作情況下是否符合低溫低應(yīng)力工力學(xué)性能夏比沖擊試驗(yàn)況,然后通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選,更加合理的選擇管材級(jí)別杭拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度管型標(biāo)準(zhǔn)試樣)最低試驗(yàn)AkCr1380205無縫或焊接-45187結(jié)束語/≥MPa/≥MPa溫度/℃刀Gr3450240無縫或焊接-100≥184415正確的選用低溫材料,關(guān)鍵在于正確的確定設(shè)無縫≥18Gr6415240無縫或焊接45≥18計(jì)最低溫度。它不僅與承壓件內(nèi)的介質(zhì)溫度有關(guān),Cr745040無縫或焊接-75≥18還受到環(huán)境溫度的影響,應(yīng)該通過計(jì)算綜合考慮。Gr8690515無縫或焊接-195≥18工藝專業(yè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)將詳盡的有關(guān)介質(zhì)、環(huán)境溫度Gr9435315無縫或焊接-75218的變化和操作情況向設(shè)備專業(yè)設(shè)計(jì)人員作出交代,105040無縫或焊接-60≥18便于設(shè)備設(shè)計(jì)人員按照相關(guān)規(guī)范正確選材。注:對(duì)于Gr8鋼管,對(duì)每個(gè)帶缺口的沖擊試樣應(yīng)測(cè)量相對(duì)于此外,對(duì)于輸送、處理濕氣的管道而言,從工藝缺口的側(cè)向膨脹值,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(duì)管道選材的影響幾乎可以忽略;對(duì)于埋地管道而6低溫低應(yīng)力工況言,一般都是敷設(shè)在凍土層以下,因此也不會(huì)屬于低溫環(huán)境。對(duì)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(guī)范及德國(guó)AD氣長(zhǎng)輸管道靠近城市的分輸站,除了考慮調(diào)壓后氣規(guī)范中,對(duì)壓力容器“低溫低應(yīng)力工況”做了大致類體介質(zhì)的溫降外,還需考慮我國(guó)北方地區(qū)冬季氣溫似的定義,并規(guī)定低溫低應(yīng)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(fù)生以不受低溫壓力容器規(guī)范的相關(guān)要求;對(duì)于壓力管產(chǎn)時(shí),雖然介質(zhì)溫度相對(duì)較高,但管材的升溫需要道而言,工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)低溫低應(yīng)力工個(gè)過程,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似的定義:低溫低應(yīng)力工況的低溫安全也需要綜合考慮。為設(shè)計(jì)溫度低于或等于-20℃的受壓管道組成件,參其環(huán)向應(yīng)力小于或等于鋼材屈服點(diǎn)的16,且不大[1]cB150-199.鋼制壓力容器[s]于50Ma的工況。除抗拉強(qiáng)度下限值大于540MPa【2]ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范國(guó)際性規(guī)范Ⅷ第一冊(cè),壓的鋼材及螺栓材料外,使用的材料在低溫低應(yīng)力工力容器建造規(guī)則[S況下,若設(shè)計(jì)溫度增加50℃后,高于-20℃時(shí),管道3]ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范國(guó)際性規(guī)范Ⅱ材料A篇,材料可免于做低溫沖擊試驗(yàn)。在 ASME F313中鐵基材料[S]也有對(duì)于類似低溫低應(yīng)力工況下管材可以免除沖擊4]G353-19,低溫壓力容器用低合金鋼鋼板[S][5]JBT7149-1995,低溫閥門技術(shù)條件[S]試驗(yàn)的條款。因此對(duì)于低壓管道來說:例如放空管6GB50316-200,業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范[S線其設(shè)計(jì)壓力雖然不高,但由于放空時(shí)的節(jié)流效(7]ASME壓力管道規(guī)范B3.3,工藝管道[s]應(yīng),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(guī)范B31!輸氣和配氣管道系統(tǒng)溫,在選擇壁厚時(shí)由于壁厚系列的原因,選擇的壁厚[S]中國(guó)煤化工CNMHG